Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Нейродинамическое описание природы психических явлений

Содержание

• Введение
• 1. Доктрина единичного кодирующего нейрона и ее критический анализ
• 2. Морфо-функциональные основы доктрины популяционного кодирования
• 2.1 Морфологические основы кооперативного функционирования нейронов
• 2.2 Функциональная организация нейронных ансамблей мозга
• 2.2.1 Представления D. Hebb о механизмах формирования и функционирования нейронных ансамблей мозга
• 2.2.2 Представления А.Б. Когана о механизмах функционирования нейронных ансамблей мозга
• 2.2.3 Осцилляторная активность и механизмы функционального объединения нейронов
• 2.2.3.1 Низкочастотные осцилляции в нейронных сетях: возможные механизмы
• 2.2.3.2 Высокочастотные (гамма) осцилляции в нейронных сетях мозга: возможные механизмы и функциональное значение
• 2.2.4 Осцилляторная активность в REM и NREM сне
• 2.2.5 Фактор времени в механизмах обработки информации в ЦНС
• 2.2.6 Модели высокочастотной осцилляторной активности
• 2.2.7 Возможное функциональное значение высокочастотной осцилляторной активности
• 3. К общей теории нейронных ансамблей мозга
• 4. Механизмы регуляции функционального состояния нейронных сетей мозга
• Заключение
• Литература

Введение

Одним из центральных вопросов нейронауки является вопрос о базовом коде информационных процессов мозга. В целом соображения, высказываемые по этому вопросу, можно объединить в две доктрины. Одна из них, разрабатывающаяся на протяжении многих лет - это так называемая доктрина единичного кодирующего нейрона (simple neuron coding doctrine). В рамках этой доктрины нейрон рассматривается как устройство, настроенное на строго определенный процесс обработки информации (Barlow H.B., 1972), и обработка любой информации, таким образом, связывается с активностью индивидуальных нейронов. Эти представления основываются, прежде всего, на результатах фундаментальных анатомических исследований S. Ramon y Cajal в их более поздней физиологической интерпретации. Barlow H.B. (1972) распространил эти представления и в психологию. Предполагается, что детальное изучение активности индивидуальных нейронов должно прояснить, как они осуществляют кодирование и декодирование информации, и в конце концов позволить получить исчерпывающие представления о механизмах информационных процессов мозга.

Исторически позднее были сформулированы представления, которые легли в основу современной трактовки доктрины популяционного кодирования (population coding doctrine). Ключевой в этой доктрине является концепция клеточного (нейронного) ансамбля, согласно которой специфическая информация представлена в мозге активностью нейронных популяций. Последние представляются как функционально перекрывающиеся группы нейронов, гибко взаимодействующие как внутри, так и между собой. Функциональные взаимодействия между элементами одного ансамбля и между ансамблями реализуются на основе корреляции их текущей фоновой или вызванной активности. Основными свойствами последних являются функциональное перекрытие нейронов (и нейронных ансамблей) и динамичность синаптических взаимодействий. Интенсивное развитие этих представлений в течение последнего десятилетия обусловлено появлением принципиально новых фактов, которые можно рассматривать как экспериментальные доказательства ее базовых положений и, по-видимому, приведет уже в ближайшие годы к выяснению нервных механизмов восприятия и актуализации сенсорных образов, ассоциативного обучения и др., созданию принципиально новых классов динамических моделей нейронных сетей, способных к решению аналогичных задач на основе обучения и переобучения.

1. Доктрина единичного кодирующего нейрона и ее критический анализ

Разработка итальянским анатомом К Гольджи (C. Golgi) в 1875 году метода полного и одновременного окрашивания небольшого числа нервных клеток, расположенных в области введения красителя - соли серебра, позволила его испанскому современнику и коллеге С. Рамон-и-Кахалу (S. Ramon y Cajal) в фундаментальном труде "Гистология нервной системы человека и животных", впервые опубликованном в 1904 году, доказать сформулированную в 1891 году В. Вальдейером (W. Waldeyer)"нейронную теорию". Согласно последней, нервная система состоит из обособленных клеток, которые взаимодействуют между собой посредством синапсов. Как было показано С. Рамон-и-Кахалем, связи между нейронами носят во многом неслучайный характер и упорядочены в пределах его различных структур. Последующие физиологические исследования организации простых нейронных сетей беспозвоночных (Kupferman I., Weiss K. R., 1978), детекторных свойств нейронов зрительной системы и др. привели к формулировке ряда теоретических представлений, которые могут быть объединены в доктрину единичного кодирующего нейрона. В наиболее общем виде, она сводится к тому, что нейрон является не только морфологической, но и функциональной единицей нервной системы, связанной с кодированием и декодированием воспринимаемой информации, ее запоминаем, воспроизведением и т.д. Аналогичные представления о нейроне являются базовыми практически во всех нейросетевых моделях. Не останавливаясь в деталях на этих представлениях, следует отметить, что экспериментальное изучение активности нейронов мозга животных представляет множество сведений, противоречащих доктрине единичного кодирующего нейрона (Braitenberg V., 1978, Abeles M., 1988). Например, как оказалось, в действительности каждый отдельный нейрон участвует в реализации ни одной функции. Нейрон не активируется только одним простым или уникальным по сложности входным стимулом (Swindate N. V., 1990). Уже в ранних исследованиях единичных нейронов зрительной коры было показано, что они активируются более чем одной элементарной комбинацией входных воздействий (Hubel D. H., Wiesel T. N., 1959). Как было показано позднее, даже знаменитые "face neurons" височной коры отвечают ни на одно уникальное лицо, а на несколько лиц или несколько особенностей, объединяющих ряд лиц (Young M. P., Yamane S., 1992). Все это свидетельствует о том, что активация единичного нейрона, по-видимому, не представляет никакой уникальной информации о ситуации и каждый отдельный нейрон участвует в анализе более чем одного специфического ее вида (Abeles M., 1988).

Экспериментальное изучение нейронов, расположенных в непосредственной близости друг от друга, показало, что взаимодействия между ними очень слабы (Toyama K., Kimura M., Tanaka K., 1981, Espinosa I. F., Gerstein G. L., 1988). Даже в тех случаях, когда корреляция активности нейронов свидетельствовала о их непосредственном синаптическом взаимодействии, пресинаптический нейрон обуславливал появление спайка в постсинаптическом нейроне в среднем с вероятностью 0,05. Это означает, что только суммация одновременно приходящих воздействий от около 20 пресинаптических нейронов могла обеспечить генерацию спайка постсинаптическим нейроном. Даже так называемые сильные синаптические взаимодействия, обнаруженные в коре, обуславливают не более чем на 0,25 появление постсинаптического импульса (Abeles M., 1988). Таким образом, индивидуальный нейрон оказывает весьма слабый эффект на другие нейроны и не может обуславливать надежную передачу, поскольку неспособен вызывать генерацию спайка следующим нейроном. Кроме того, как оказалось, характер связей между нейронами весьма подвижен и может изменяться при изменении функционального состояния животного (Burns D. B., Webb A. C., 1979), предъявляемых ему стимулов (Frostig R. D. e. a., 1983), поведенческой ситуации в целом (Ahissar M. e. a., 1992) и поведенческого задания, в частности (Sakurai Y., 1993, 1996).

Одним из кардинальных вопросов, который обуславливает принятие или непринятие доктрины единичного кодирующего нейрона, является вопрос о том, являются ли достаточно надежными процессы переработки информации в нейроне? Многочисленные экспериментальные исследования единичных нейронов у бодрствующих животных в различных поведенческих парадигмах продемонстрировали значительную нестабильность их активности при реализации процессов восприятия, памяти и др. При этом оказалось, что стандартные отклонения распределений межспайковых интервалов в первом приближении того же порядка, что и их средние значения (Snowden R. J., Treue S., Andersen R. A., 1992, Softky W. R., Koch C., 1993). Тонкими морфо-физиологическими исследованиями было показано, что в общем именно структура сети определяет паттерны разрядов отдельных нейронов (Mainen Z. F., Sejnowsky T. J., 1995).

Как известно, индивидуальный нейрон имеет около 10 000 синаптических входов от других нейронов, вследствие чего даже редкие спонтанные разряды по каждому из них активируют порядка 10 000 синапсов на нейроне каждую секунду (Paisley A. C., Summerlee A. J., 1984, Legendy C. R., Saleman M., 1985). Это множество синаптических влияний на нейрон приводит к возникновению значительных и случайных флуктуаций его мембранного потенциала (Steriade M. e. a., 1993), которые непрерывно меняют темп его разрядов. В условиях адекватной стимуляции темп разрядов нейрона резко возрастает, что значительно повышает соотношение сигнал/шум, которое может быть описано отношением вызванной скорости разрядов к спонтанной активности данного нейрона. Однако именно в этом случае отчетливо проявляются свойство постсинаптической мембраны играть роль низкочастотного фильтра (вследствие наличия значительной постоянной времени), что существенно искажает высокочастотные разряды (Douglas R. J., Martin A. C., 1990) и приводит к тому, что разряды с частотой более 15 Гц ослабляются и не могут длительно сохранять свое специфическое значение. Вследствие этого реальное отношение сигнал/шум у отдельных нейронов оказывается достаточно низким и не может существенно повышаться вследствие внутренне обусловленных изменений свойств нейрональной мембраны. Кроме того, параллельный приход возбуждения от сотен нейронов значительно повышает пространственно-временную дисперсию синаптических событий на всем дендритном дереве. Все это приводит к тому, что возбуждение сомы, определяемое входными воздействиями, будет значительно более длительным, чем единичное синаптическое влияние (Douglas R. J., Martin A. C., 1990). Последнее приводит к значительной утрате индивидуальности единичного входного воздействия, с одной стороны, и незначительности эффекта единичного выхода на последующие нейроны, с другой.

Теоретический анализ доктрины единичного кодирующего нейрона показывает, что число кодирующих нейронов (нейронов-детекторов) в мозге явно недостаточно для того, чтобы представить все множество информации, с которой сталкивается живой организм в течение жизни. Объем этой информации практически безграничен, поскольку комбинация и конфигурация исходной информации дает практически бесконечный объем новой информации. Эта проблема, известная как проблема комбинаторного взрыва (von der Malsburg C., 1988), принципиально не может быть разрешена в рамках доктрины единичного кодирующего нейрона вследствие ограниченности числа имеющихся в наличии нейронов. Проблема еще более обостряется если учесть, что в своей оригинальной трактовке эта доктрина предполагает существование "главных нейронов" (cardinal neurons), каждый из которых конструируется на основе функционирования около 1000 более простых нейронов (elemental neurons). Совершенно понятно, что реальное число нейронов мозга в этом случае явно недостаточно для представления всего возможного множества информации о мире. Более того, кодирование единичным нейроном не очень удобно для реализации таких операций, как объединение и разделение информации, а также для представления степени сходства или различия информационных множеств, что необходимо для конструирования принципиально новых представлений и идей (Wickelgren W. A., 1992). И, наконец, оно не позволяет понять природу функциональной избыточности мозга, позволяющей его структурам осуществлять функциональную компенсацию деятельности других структур в случае их выхода из строя. Экспериментальные исследования и клинические наблюдения показывают, что процессы анализа информации, ее запоминание и извлечения из памяти достаточно устойчивы, несмотря на то, что, в частности, каждый день в мозгу погибает множество нейронов.

Все эти соображения не позволяют рассматривать индивидуальную активность нейронов ЦНС высших животных и человека как единственную основу процессов кодирования информации и показывают, что обработка информации в мозге требует использования стратегий, позволяющих обойти проблемы формирования активности в единичном нейроне.

нейронная сеть мозг психический

2. Морфо-функциональные основы доктрины популяционного кодирования

Многочисленные экспериментальные исследования ЦНС высших животных, клинические наблюдения показывали, что ей присущи чрезвычайная надежность и пластичность функционирования. Травма, хирургическое удаление или функциональное выключение даже достаточно значительных объемов нервной ткани, как правило, не приводили к невосполнимой утрате функций, связанных с соответствующими структурами мозга. Напротив, они практически полностью восстанавливаются в последующий период (Гейз Р., 1972, Лурия А.Р., 1973). Все эти сведения привели к формулировке идей о том, что как чрезвычайная надежность и пластичность функционирования нейронной сети, так и механизмы распознавания, памяти и т.д. основаны на кооперативном функционировании нейронов и их способности к обучению и переобучению, которые объединяются в так называемую доктрину популяционного кодирования (population coding doctrine). Анализ показывает, что в рамках доктрины популяционного кодирования, которая интенсивно разрабатывается в настоящее время, могут быть преодолены многие проблемы, возникших при разработке доктрины одиночного кодирующего нейрона. В качестве доказательств ее основных положений в настоящее время могут быть приведены результаты многочисленных морфологических исследований, электрофизиологических исследований спонтанной и вызванной нейрональной, фокальной и суммарной активности мозга животных, а также суммарной электрической активности мозга человека в условиях распознавания и актуализации из памяти сенсорных образов, организации и реализации моторных программ, выполнения заданий, связанных с кратковременной и долговременной памятью, и др.

Ключевым элементом доктрины популяционного кодирования является представление о клеточном ансамбле. В общем виде он представляет собой, как полагают, некую морфологическую или функциональную группу нейронов с аналогичными или различающимися свойствами, которые совместно реализуют функции кодирования и декодирования специфической информации, т.е., ее анализ и представление в системе.

2.1 Морфологические основы кооперативного функционирования нейронов

Морфологические исследования, выполненные R. Lorente de No (1933, 1939, 1947), позволили ему обнаружить в коре больших полушарий достаточно строгую вертикальную упорядоченность нейронов, что нашло отражение в сформулированном им принципе колончатой организации конструкций мозга. Элементарной единицей такой организации, как полагал R. Lorente de No, является узкий цилиндр клеток, простирающийся в коре от слоя II до слоя VI. Было показано, что специфические импульсы от релейных нейронов сначала приходят в IV слой, откуда затем распространяются в верхние и нижние слои при участии мелких нейронов Гольджи 2 и коллатералей аксонов пирамидных нейронов. Предполагалось, что нервные элементы этой единицы образуют замкнутые круги разной степени сложности. Каждый круг имеет свою группу афферентных и эфферентных волокон и образует обособленную в функциональном отношении конструктивную единицу. Сформулированные R. Lorente de No идеи о "линиях задержки”, "реверберирующих цепях активации" легли впоследствии в основу многих моделей, пытающихся объяснить механизмы структурно-функциональной организации мозга.

Прямые электрофизиологические доказательства колончатой организации анализаторных областей позднее были получены V. B. Mountcastle (1957), V. B. Mountcastle, T. P. Powell (1959 а, б) в исследованиях соматосенсорной, а D. H. Hubel, T. N. Wiesel (1961, 1962, 1963, 1965, Хьюбель Д., 1974) - зрительной областей коры. Аналогичная организация была обнаружена впоследствии в пределах слуховой и моторной зон. В пределах тактильного анализатора, в частности, в зоне представительства вибрисс корковые колонки, в свою очередь, формируют своеобразные объединения в форме сегментированных колец, напоминающих бочонок на поперечном разрезе (Woolsey T., Van der Loos H., 1970). Эти бочонки располагаются в коре в точном соответствии с расположением вибрисс на периферии, причем каждый из них связан афферентными входами лишь с одной вибриссой. Основываясь на этих и других сведениях, Я. Cентаготаи и М. Арбиб позже (1976) высказали предположение о том, что "модульное строение” центральных структур из групп нейронов, образующих функциональные единицы, может рассматриваться как общий принцип их организации. Нейроны, расположенные в пределах колонки, реагировали на раздражение одного и того же рецептивного поля и формировали в коре микроочаг возбуждения, размеры которого соответствовали тем, которые были получены в морфологических исследованиях. В условиях афферентной стимуляции интенсивность возбуждения нейронов снижалась по мере удаления от фокуса активности (Asanuma H., Rosen I., 1972, Brooks V.B., 1959, 1962, Burke W., Sefton L., 1966, Hartline H.K., Rattliff F., 1957, Hubel D.H., Wiesel T. N., 1961, 1962, Towe A.L., 1961).

Таким образом, морфологические и физиологические исследования достаточно убедительно свидетельствовали о кооперативном функционировании нейронов ЦНС, которые в пределах проекционных зон коры формируют структурно-функциональные колонки в четком соответствии с топографией рецепторной поверхности на периферии. Однако поскольку в ряде случаев размеры микроочагов возбуждения в коре, формирующихся вследствие сенсорной стимуляции, были существенно меньше диаметра корковой колонки, А.Б. Коганом (1962) была сформулирована идея о том, что элементарной морфо-функциональной единицей является не колонка, а локальная группа нейронов. Значительное влияние на формирование представлений А.Б. Когана о нейронной организации оказали результаты детальных гистологических исследований D. Sholl, который еще в 1956 пришел к выводу о том, что теории нейронной организации мозга, основанные на представлениях о специфических цепях нервных клеток, неверны. По мнению автора, для характеристики общих принципов организации мозга большое значение имеют не связи отдельных нейронов, а общая структура их распределения в нейронной популяции. Для обозначения этой группы нейронов А.Б. Коган использовал предложенный D. Hebb (1949) терми "нейронный ансамбль".

Экспериментальными исследованиями А.Б. Когана, его сотрудников и учеников в коре были обнаружены структурно-функциональные группировки нейронов, среднестатистический диаметр которых у животных разных видов составлял от 100 до 400 мкм (Коган А.Б., 1979). Учитывая, что первичные афференты (Sholl D., 1956) и волокна от неспецифических подкорковых ядер (Sheibel M. E., Sheibel A. B., 1958, Шайбель М.Е., Шайбель А.Б., 1962) охватывают своими терминалями в коре область в диаметре около 650 мкм, а вторичные имеют зону ветвления диаметром лишь около 100-150 мкм (Sholl D., 1956), А.Б. Коганом (1979) было сформулировано положение о том, что элементарный нейронный ансамбль формируется в зоне ветвления вторичных афферентов, которые связаны с более детальным (по сравнению с первичными) анализом воспринимаемого образа (Коган А.Б., Чораян О.Г., 1980). На основании оценки характера реагирования нейронов был сделан вывод о том, что этот ансамбль состоит из синнергично реагирующего возбуждением ядра и тормозного окружения, реакции отдельных нейронов которого значительно различаются интенсивностью, структурой импульсных ответов и стабильностью, и высказано предположение, согласно которому тормозное окружение ограничивает распространение возбуждения пределами ансамбля. Элементы группирования нейронов в корковых отделах анализаторов экспериментально наблюдались при этом не только в условиях специфической стимуляции, но также при активации ретикулярной формации ствола мозга (Бондарь Г.Г., 1979), неспецифических ядер таламуса (Буриков А.А., 1971) и т.д. При этом было показано (Чигринов И.А., 1983), что в медленноволновую фазу сна размер этих группировок значительно превышает размер тех, которые имеют место в бодрствовании и во время парадоксальной фазы сна (Власкина Л.А., 1973), что свидетельствовало о способности элементарных ансамблей агрегироваться в более крупные блоки.

Морфологические группировки нейронов в коре больших полушарий с диаметром, не превышающим 300-500 мкм, были описаны M. Colonnier (1966), С.А. Шибковой и Г.С. Клепач (1969), G. Bonin и W. C. Mehler (1971), А.С. Батуевым и В.П. Бабминдрой (1976), А.М. Антоновой (1979) и др. В частности, в гистологических исследованиях А.М. Антоновой (1979), выполненных на слуховой, двигательной и соматосенсорной областях коры, были выявлены нейронные группировки, представляющие собой усеченные конуса или цилиндры, окруженные сосудисто-волокнистой капсулой. Это свидетельствовало о известной морфо-функциональной изоляции этих группировок, которые включали, в основном, пирамидные нейроны и незначительное число звездчатых клеток. По данным А.С. Батуева и В.П. Бабминдры (1976), системы пирамидных нейронов III-V слоев коры состоят из гигантской пирамидной клетки, окруженной 2-3 крупными и средними пирамидами.

Морфо-функциональные исследования тактильного анализатора показали (Сухов А.Г., 1995), что группировки нейронов в форме колонок наблюдаются не только в коре, но также на таламическом и бульбарном уровнях. Они имеют сходные структурные характеристики и включают нейроны с разными функциональными свойствами. Входные (афферентные) и выходные (эфферентные) части корковых колонок в функциональном отношении можно рассматривать как различные нейронные ансамбли. Нейроны колонок соматосенсорной коры, также как и ансамблей зрительной, дирекциональны в отношении ряда параметров стимула, таких как его местоположение в рецептивном поле, направление и скорость перемещения и др. Помимо специфических, к каждой колонке конвергируют различные неспецифические афференты, обеспечивающие регуляцию ее активности отдельно по входу и выходу. Эффективность специфической афферентации существенно зависит от текущего состояния колонки, которое отражается в параметрах ее фоновой активности, и, в частности, от того, на какую фазу фоновой волны она приходится. При этом в каждой колонке возможно независимое от других формирование фоновой и вызванной электрической активности.

2.2 Функциональная организация нейронных ансамблей мозга

2.2.1 Представления D. Hebb о механизмах формирования и функционирования нейронных ансамблей мозга

Практически в отсутствии каких-либо экспериментальных предпосылок, психолог Дональд Хэбб (D. Hebb) в 1949 году теоретически сформулировал представления о нейронном ансамбле, предположив, что взаимодействия между областями мозга, лежащие в основе механизмов памяти, восприятия и т.д., основаны на формировании в результате обучения специфических функциональных группировок или микроциклов нейронов, синаптические связи между которыми усиливаются, когда они возбуждаются синхронно. Именно эти нейронные ансамбли, как полагал D. Hebb, являются основой функциональной организации нервной системы. Хэббовские клеточные ансамбли имели целый ряд интересных свойств (Wickelgrem W. A., 1992), основными из которых являются следующие:

(i) перекрывающийся набор реализуемых кодов (один и тот же нейрон является элементом множества различных ансамблей, что означает, что клеточные ансамбли являются перекрывающимися множествами нейронов, которые декодируют различную информацию).

(ii) распределенное кодирование информации (каждый индивидуальный клеточный ансамбль содержит лишь небольшую часть всех нейронов мозга. Перекрывающиеся части ансамблей не очень значительны и содержат не очень большое число нейронов).

(iii) динамичность формирования и реконструкции (клеточные ансамбли являются временными образованиями нейронов, взаимодействующих посредством гибких синаптических связей).

(iv) динамичность представления информации (активация клеточного ансамбля продолжается только в течение времени, пока не поступит тормозная обратная связь).

(v) динамичность актуализации функционального ансамбля (активация достаточного множества элементов ансамбля приводит к активации всего ансамбля).

(vi) наличие хэббовского обучения (коррелированная активность двух нейронов усиливает отдельные связи между ними).

Позднее в несколько более общем виде идея о кооперативном функционировании нейронов и их объединении в констелляции или ансамбли высказывалась и рядом других крупных нейрофизиологов (Ухтомский А.А., 1954, Milner P. M., 1957).

Несмотря на отсутствие в то время методических приемов, позволяющих доказать или опровергнуть гипотезу D. Hebb, а также расплывчатость ее ряда базовых формулировок, представления о нейронных ансамблях мозга получили достаточно широкое распространение.

До недавнего времени из описанных выше свойств хэббовского клеточного ансамбля наиболее изучены были молекулярные и биохимические механизмы так называемого хэббовского синапса (Brown T. H., Kairiss E. W., Keenan C., 1990, Dan Y., Poo M., 1992, Kirkwood A., Bear M. F., 1994). Остальные свойства, которые могли быть объединены в 2 комплексных свойства, а именно, функциональное перекрытие нейронов и динамичность взаимодействий, были изучены значительно слабее. Наличие первого из них, на протяжении длительного времени изучаемого, в частности, Legendy C.R. (1967), позволяло преодолеть недостатки доктрины единичного кодирующего нейрона. Действительно, групп нейронов в конечном мозге неизмеримо больше, чем одиночных нейронов, особенно групп с частичным перекрытием (Kanerva P., 1988, Wickelgren W.A., 1992), и в ансамблях, таким образом, может быть представлено значительно больше информации, чем в единичных нейронах. С другой стороны, множество перекрывающихся групп нейронов могут быть одновременно привлечены к анализу одной и той же информации, если в этом есть необходимость. Это - одно из перспективных направлений разработки систем, устойчивых к появлению ошибок. Хотя столь существенный прирост объема перерабатываемой информации и несовместим в принципе с избыточностью и повышением устойчивости системы, это противоречие может быть разрешено посредством контроля за степенью функционального перекрытия групп нейронов. С другой стороны, перекрытие означает, что один и тот же нейрон может в одно и то же время использоваться при переработке различной информации. Это - одно из перспективных направлений для реализации параллельной организации процессов в коре, поскольку параллельные и распределенные процессы, как известно (McClelland J.I., Rumelhart D.E., 1986), скорее правило, чем исключение.

2.2.2 Представления А.Б. Когана о механизмах функционирования нейронных ансамблей мозга

В экспериментальных исследованиях, в частности, А.Б. Когана и его коллег было показано, что перестройки импульсной активности даже тех нейронов, которые составляют ядра идентифицируемых ими нейронных ансамблей, в ответ на повторную адекватную стимуляцию с периферии носят различный характер (А.Б. Коган, 1979). Последнее, как полагали, могло быть обусловлено множественностью входов, формирующих в каждый момент времени сугубо индивидуальный и неповторимый паттерн входных влияний на нейроны ансамбля. Еще более нестабильными были ответы нейронов периферии ансамбля, а также ответы всех нейронов ансамбля в условиях неспецифической стимуляции и прямой стимуляции неспецифических систем мозга. Последнее подтверждало представления о статистической, вероятностной организации межнейронных связей, высказываемые на основании результатов гистологических исследований D. Sholl (100) такими известными нейрофизиологами, как Г. Уолтер (1956), А. Фессар (1962), С. Бернс (1969) и др. Учитывая это, А.Б. Коганом и О.Г. Чораяном были сформулированы представления о вероятностно-статистической организации нейронный ансамблей мозга (Коган А.Б., 1962, 1964, 1979, Коган А.Б., Чораян О.Г., 1980, Чораян О.Г., 1963, 1974, 1986, 1990, 1995). В соответствии с ними, "строгая определенность актов целостной деятельности мозга обеспечивается статистическими результатами множественного вероятностного взаимодействия нервных клеток, образующих иерархию уровней структурно-функциональной организации мозга" (Коган А.Б., 1979, с.92-93]. Вероятностным принципом мобилизации отдельных элементов нейронного ансамбля объясняется высокая надежность и пластичность функциональных конструкций мозга (Чораян О.Г., 1990). Коллективный способ реагирования нейронов ансамбля приводит к тому, что "реализация функции таким способом мало зависит от состояния отдельных нейронов и будет сохраняться при выходе из строя даже значительной их части" (Коган А.Б., 1979, с. 32.]. Основными характеристиками нейронного ансамбля являются (Чораян О.Г., 1990):

1) локальный синергизм реакций нейронов центральной зоны ансамбля,

2) наличие тормозного окружения вокруг центральной зоны из возбужденных элементов,

3) наличие определенного числа нейронов со стабильными ответами при значительно большем числе клеток с вариабельными ответами.

При этом по вопросу о случайности связей между нейронами мнения сторонников такого подхода существенно расходились. В отличие от А.Б. Когана и О.Г. Чораяна, по мнению D. Bohm, (1969) и др. (Kennedy D., Silverston A.I., Remler M.P., 1969) использование термина "случайная" в отношении связей между нейронами в нервной системе означает лишь то, что для реализации структурой специфической функции несущественно, какова упорядоченность этих связей, их организация. Как полагал Р. Гейз (1972), термин "случайная" не может быть использован, и в том случае, если связь уже образована. При этом, учитывая многочисленные морфологические сведения, большинство авторов признавали, что организация нервной системы в целом далеко не случайна.

Несмотря на то, что в рамках вероятностно-статистического подхода были выполнены многочисленные экспериментальные исследования, ряд основополагающих для развития этих представлений вопросов также оставались открытыми. Прежде всего, следующие:

(1) Каковы реальные функции этих нейронных ансамблей?

(2) Какова природа динамичной внутриансамблевой переработки информации, в результате которой формируется его жестко детерминированная выходная функция?

(3) Каковы механизмы интеграции элементарных ансамблей, лежащие в основе формирования целостных нейродинамических образов? и т.д.

2.2.3 Осцилляторная активность и механизмы функционального объединения нейронов

и функциональное значение

Способность к осцилляторной активности на протяжении многих лет рассматривается как одно из фундаментальных свойств нейронных сетей мозга. Различным ее аспектам посвящены многочисленные экспериментальные и модельные исследования. Только за последние годы появились целый ряд обзоров, детально анализирующих различные аспекты этой проблемы (R. Ritz, T. J. Sejnowski, 1997, C. Tallon-Baudry, O. Bertrand, 1999 и др.).

Осцилляторная активность на различных частотах и в различных состояниях была показана на различных уровнях организации практически всех сенсорных систем. Так низкочастотные осцилляции (дельта-осцилляции, веретенообрапзная активность) были описаны в ЭЭГ на различных стадиях сна. Как было показано, их происхождение связано с таламо-кортикальными взаимодействиями. В NREM-сне были описаны и более низкочастотные (менее 1 Гц) осцилляции (P. Achermann, A. A. Borbely, 1997, D. Contreras, M. Steriade, 1996, 1997, M. Steriade, 1997), коррелирующие с другими типичными для него низкочастотными осцилляциями. В многочисленных экспериментальных и модельных исследованиях было продемонстрировано, что осцилляции могут являться как следствием наличия в сети самопроизвольно осциллирующих клеток (пейсмекеров), так и следствием взаимодействия нейронов или их групп. В частности, было показано, что многим пирамидным нейронам 5 слоя коры присуща самопроизвольная осцилляторная активность с частотой 5-12 Гц (Silva L. R., Amitai Y., Connors B. W., 1991). Flint A. C. и Connors B. W. (1996) обнаружили во 2-3 и 5 слоях соматосенсорной коры мозга крыс нейроны, способные самопроизвольно генерировать две различные формы ритмической активности, связанные с активацией различных типов глутаминовых рецепторов. Взаимодействие таламо-кортикальных и таламических ретикулярных нейронов может приводить к возникновению в сети осцилляторной активности в частотном диапазоне 1-4 (Terman D., Bose A., Kopell N., 1996) и 9-11 (Destexhe A., Bal T., McCormick D. A., Sejnowski T. J., 1996, Golomb D., Wang X. J., Rinzel J., 1996) Гц. Contreras D., Destexhe A., Sejnowski T. J. и Steriade M. (1996, 1997) на основе пространственно-временного анализа таламических веретен, зарегистрированных до и после экстирпации коры, было показано, что кортико-таламические проекции обуславливают глобальную когерентность таламических осцилляций. Корковая синхронизация оказалась нечувствительной к нарушению горизонтальных внутрикорковых связей, что свидетельствует о значении таламических механизмов в пространственной синхронизации кортикальных осцилляций. A. Nunez (1996) было показано, что ритмическая активность кортикальных нейронов с частотой 0,5-2 Гц в условиях медленноволнового сна усиливается пачечными разрядами нейронов базальных ядер. Он предположил, что эти нейроны образуют ацетилхолинергические синапсы в коре. Однако эти клетки могут являться и ГАМК-ергическими проекционными нейронами (Gritti I., Mainville L., Mancia M., Jones B. E., 1997) и играть роль, аналогичную нейронам медиального септума, проецирующимся в гиппокамп (Tsodyks M. V., Skaggs W. E., Sejnowski T. J., McNaughton B. L., 1997).

2.2.3.2 Высокочастотные (гамма) осцилляции в нейронных сетях мозга: возможные механизмы и функциональное значение

Высокочастотные осцилляции в суммарной электрической активности мозга

В последние годы наибольший интерес привлекает высокочастотная осцилляторная активность или так называемые гамма-осцилляции. Впервые регулярные осцилляции с частотой около 40 Гц были обнаружены W. J. Freeman (1975) в активности обонятельного мозга во время фазы вдоха респираторного цикла. Аналогичные осцилляции с частотой 30-70 Гц позднее были продемонстрированы в суммарной активности мозга как животных, так и человека в ситуации распознавания зрительных образов (Freeman W. J., van Dijk B. W., 1987), при сосредоточении внимания (Spydell J. D. и др., 1979, Bouyer J. J. и др., 1981, Ribary U. и др., 1991) или привлечении внимания к стимулу (Tiitinen H. И др., 1993), выполнении новых или сложных моторных актов (Murthy V. N., Fetz E. E., 1992), при интеллектуальном напряжении (Pfurtscheller G., Neuper C., 1992) и т.д. Они имели место, как правило, на фоне десинхронизации низкочастотной активности мозга (Munk M. H. J. и др., 1996), в частности, альфа-ритма (Pfurtscheller G., Neuper C., 1992).

Отвечая на вопрос о связи гамма - и альфа-активности, сформулированный E. Jurgens с соавт. (1995), ряд авторов (Muller M. M. и др., 1996, 1997, Tallon-Baudry C. и др., 1998) показали, что вызванная гамма-активность отличается от гармоник альфа-частоты, на основании чего был сделан вывод о их различной природе. Как по топографии, так и по характеру изменений гамма-активность отличалась не только от низкочастотной активности, но также от колебаний с частотой 15-20 Гц и усредненных вызванных потенциалов (Muller M. M. и др., 1997, Tallon-Baudry C. и др., 1996, 1998, Revonsuo A. и др., 1997). Несмотря на это, ее функциональная связь с бета-частотами (15-20 Гц) остается пока неясной (Revonsuo A. и др., 1997, Tallon-Baudry C. и др., 1998 и др.). Высказывалось и предположение о том, что вызванная гамма-активность может быть связана с активностью мышечных веретен. Однако целый ряд аргументов свидетельствуют против него. В частности, вызванная гамма-активность демонстрирует отчетливую связи с особенностями задачи, причем как во времени, так и по топографии возникновения. Кроме того, функциональные эффекты имеют место в более узком частотном диапазоне (30-40 Гц), в то время как мышечная активность обычно имеет более широкий спектральный состав. И, наконец, гамма-активность наблюдается и при интракраниальном отведении у человека, причем с теми же ЛП, что и при регистрации со скальпа (Lachaux J. P. и др., 1998).

В настоящее время высокочастотная осцилляторная активность обнаружена на различных уровнях нейронной организации. На животных стимул-специфическая осцилляторная активность в гамма-частотной области (30-80 Гц) была обнаружена в зрительной коре анестезированных кошек (Brosch M. и др., 1977, Eckhorn R. и др., 1988, Gray C. M. и др., 1989, Engel A. K. и др., 1991, Freiwald W. A. и др., 1995) и бодрствующих обезьян (Frien A. и др., 1994, Kreiter A. K., Singer W. 1996). Эпизоды синхронизации осцилляторных спайков чаще обнаруживались в ответах на движущиеся когерентные полосы, чем на независимый паттерн зрительных стимулом. При этом показано, что временные характеристики гамма-активности, вызванной предъявлением зрительных или слуховых стимулов, в ЭЭГ человека сопоставимы с обнаруженными при изучении фокальных потенциалов кошки (Kruse W., Eckhorn R., 1996) и электрокортикограммы крыс (Franowicz M. N., Barth D. S., 1995), что может рассматриваться как свидетельство сходства нейрофизиологических механизмов, ответственных за ее формирование.

Гамма-осцилляции с частотой около 40 Гц наблюдались как при проведении ЭЭГ (Pfurtscheller G. И др., 1994), так МЭГ (Salenius S. и др., 1996, Brown P. И др., 1998) исследований добровольцев в период действия сенсорных сигналов, во время выполнения движений пальцами руки и ноги, причем зачастую они были фазово-независимы от момента начала движения. В пределах первичных соматосенсорных областей имела место связанная с движением осцилляторная активность, которая к тому же была соматотопически организована. Эти наблюдения согласуются со сведениями о появлении локальных осцилляторных потенциалах в моторной коре бодрствующих кошек (Bouyer J. J. и др., 1987) и обезьян (Sanes J. N., Donoghue J. P., 1993, Donoghue J. P. и др., 1998).

Усиление гамма-активности как перед, так и непосредственно во время выполнения задач, требующих высокого уровня сенсомоторной интеграции, наблюдалось как у обезьян (Murthy V. N., Fetz E. E., 1992), так и у человека (Kristeva-Feige R. и др., 1993). Это позволило Murthy V. N. и Fetz E. E. (1992) высказать предположение о том, что эта гамма-активность связана с интеграцией сенсорных и моторных процессов в период подготовки и контроля выполнения движения. Позднее ими (Murthy V. N., Fetz E. E., 1996а, б) было показано, что в моторной коре приматов осцилляторная активность и синхронизация ответов, регистрируемых как внутри одного, так и между полушариями, связаны с темпом произвольных хватательных движений и направленных движений, выполняемых под зрительным контролем. A. Riehle с соавт. (1997) была обнаружена рекруитирующая фаза высокосинхронных разрядов в моторной коре приматов, которая была связана с ожиданием животным сигнала, требующего ответной реакции. Когда синхронизация была связана с подготовкой движения, наблюдалась тесная корреляция между паттерном синхронных разрядов и характером зрительно-моторной задачи (Prut Y. и др., 1998), а также направлением результативного движения (Hatsopoulos N. G. и др., 1997, Ojakangas C. L. и др., 1997, Donoghue J. P. и др., 1998).

Вызванная гамма-активность с частотой 40 Гц появляется в ЭЭГ спустя примерно 200 мс после электрической стимуляции пальца при выполнении задач на распознавание (Desmedt J. E., Tomberg C., 1994). Однако при использовании аналогичных заданий V. Menon с соавт. (1996) не обнаружили межэлектродных корреляций в диапазоне гамма-частот при эпидуральной регистрации в пределах соматосенсорной области коры. Рядом других авторов (Tovee M. J., Rolls E. T., 1992, Young M. P., и др., 1992, Lamme V. A., Spekreijse H., 1998) также не было обнаружено синхронизации осцилляций в коре обезьян. Негативный результат, полученный в этих исследованиях, мог быть обусловлен использованием при авто - и кросскорреляционном анализе достаточно длительных временных окон (500 мс), тогда как известно, что интервал скоррелированности высоких ЭЭГ-частот, как правило, составляет не более 125 мс (Engel A. K. и др., 1992, Livingstone M. S., 1996).

В задачах на распознавание простых слуховых стимулов было показано (Jokeit H., Makeig S., 1994), что у субъектов, реагирующих быстро, вызванная гамма-активность усиливается в интервале 200-400 мс от момента предъявления стимула, тогда как у медленно реагирующих субъектов это имеет место еще до момента предъявления стимула. Если субъект не обращал внимания на предъявляемые статические стимулы, в том числе, картинки (Sem-Jacobsen C. W. и др., 1956), в ЭЭГ отмечалось снижение амплитуды вызванных гамма-ответов, регистрируемых эпидурально в затылочных областях. При привлечении внимания к различным сенсорным стимулам (речь, холод, вспышки света), вызванные гамма-осцилляторные ответы возникали через 100-200 мс после включения стимула в активности задней височно-теменной области с тенденцией к привыканию (Perez-Borja C. и др., 1961). В исследовании, выполненном в рамках парадигмы активного и пассивного слухового восприятия (Marshall L. и др., 1996), позднее сообщалось о различиях в выраженности гамма-частот в интервале 200-300 мс после того, как субъект слышал стандартный и отличающийся от него тон. В аналогичной ситуации O. Bertrand с соавт. (1998) наблюдали снижение вызванной 40-герцовой активности спустя примерно 100 мс с последующим ее усилением, максимальным спустя примерно 250 мс от момента предъявления стимула, по сравнению с исходным уровнем. Этот временной паттерн был похож на тот, который был обнаружен в слуховой коре анестезированных крыс (Franowicz M. N., Barth D. S., 1995). При привлечении внимания к слуховым стимулам усиление гамма-активности было значительным и пролонгированным (Bertrand O. и др., 1998), но ее топография отличалась от распределения компонентов слуховых ВП в пределах вовлеченных в восприятие стимулов слуховых областей. При выполнении вербальных заданий усиление гамма-активности было более выражено в областях левого полушария, а задач на вращение зрительных образов - правого. Авторы предположили, что гамма-активность может отражать формирование "фокуса активации" в нейрональных кругах, соответствующих заданию.

Используя методические приемы, позволяющие разделить ответы, связанные с предъявлением стимулов в правый или левый глаз, G. Tononi с соавт. (Tononi G., Edelman G. M., 1998, Tononi G. и др., 1998) показали, что ответы, регистрируемые в пределах и между кортикальными областями и сопровождающие восприятие, более синхронизированы, чем ответы, не связанные с осознанным восприятием.

Паттерны осцилляторных разрядов в гамма-частотном диапазоне и синхронизация разрядов в миллисекундном интервале наблюдались также в зрительной коре бодрствующих обезьян (Kreiter A. K., Singer W., 1996). В области V5 эти феномены отражали общие свойства стимула, и, казалось, были связаны с процессами внимания при его ожидании (DeOliveira S. C., Thiele A., Hoffmann K. - P., 1997).

Если вызванная гамма-активность отражает механизм связывания элементов, она должна усиливаться в ответ на предъявление целостного образа. Эта гипотеза может быть проверена при оценки выраженности гамма-активности в ответ на предъявление стимула, имеющего аналогичные физические характеристики, но вызывающего или не вызывающего формирование целостного образа. Используя методические приемы, ранее применяемые на животных (Singer W., Gray C. M., 1995), две различные группы исследователей показали, что в том случае, когда субъекты пассивно наблюдали за когерентно движущимся паттерном, в ЭЭГ имеет место усиление гамма-активности (Lutzenberger W. и др., 1995, Muller M. M. и др, 1997). Топография этих изменений имела ретинотопическую организацию в областях V1 и V2 (Lutzenberger W. и др., 1995). Стереоскопическое объединение случайно предъявляемых стереограмм в трехмерный образ, по сравнению с двухмерным, также вызывало усиление гамма-активности в ЭЭГ затылочных областей (Revonsuo A. и др., 1997), тогда как на альфа - и бета-частотах различий не наблюдалось.

Все эти результаты указывают на существенное значение вызванной гамма-активности в конструировании целостного представления, основанном на интеграции зрительной информации. Максимальная выраженность вызванной когерентным зрительным образом гамма-активности в ЭЭГ затылочных и теменно-затылочных областей подтверждает, что хотя бы частично она связана с анализом зрительной информации.

Как при зрительном (Lutzenberger W. и др., 1994), так и слуховом (Pulvermuller F. Т др., 1996, МЭГ-исследования, Krause C. M. и др., 1998) предъявлении были показаны различия в усилении гамма-активности между словами и псевдословами. Топография гамма-активности, вызванной предъявлением в качестве стимулов существительных и глаголов, различалась в интервале 500-800 мс (Pulvermuller F. И др., 1996). Эти результаты позволили предположить, что вызванная гамма-активность может быть связана со зрительными или моторными ассоциациями, вызванными вербальными стимулами, несмотря на то, что длительные ЛП наблюдаемых эффектов казалось бы свидетельствовали о том, что они не отражают первичных процессов восприятия слов и псевдослов.

С целью определения нейрональных механизмов, лежащих в основе вызванных гамма-осцилляций, C. Tallon-Baudry с соавт. (1997) выполнили ЭЭГ - и МЭГ-исследования автивности затылочных областей коры, используя в качестве стимулов треугольники Kanizsa. Быстрый 40-герцовый вызванный ответ с ЛП около 100 мс регистрировался ими как в ЭЭГ, так и в МЭГ, тогда как вызванная гамма-активность с частотой 30-60 Гц и ЛП 250 мс наблюдалась только в ЭЭГ. Аналогичные результаты были получены при пассивном восприятии слуховых стимулов. Авторы полагают, что отсутствие гамма-активности в МЭГ может быть связано с глубиной и особенностями ориентации нейрональных источников, ответственных за формирование этой активности, или их необычной конфигурацией.

C. Tallon-Baudry с соавт. (1997), используя в качестве зрительного стимула модификацию известной картинки долматина, показали, что когда субъекты не воспринимали замаскированное изображение собаки в ЭЭГ имели место только слабые гамма-ответы с ЛП около 280 мс от начала предъявления стимула. После того, как субъекты были обучены распознавать изображение, регистрировались значительно более выраженные гамма-ответы независимо от того, содержало ли реальное изображение долматина, или нет. Усиление гамма-активности имело место и когда черные пятна объединялись в целостную картину. В последнем случае гамма-эффект имел место на 10 мс ранее, чем аналогичные изменения в ВП. Авторы полагают, что усиление гамма-активности могло отражать скрытую активацию представления собаки в ситуации зрительного поиска.

O. Bertrand с соавт. (1998) исследовали роль вызванной гамма-активности при воспроизведении слуховых образов в парадигме сложной частотной дискриминации. Представлялся стандартный тон, вслед за которым вероятностным образом могли следовать два незначительно различающихся тона более высокой частоты, один из которых необходимо было определить. Было обнаружено усиление вызванной гамма-активности (порядка 40 Гц) с ЛП около 250 мс от начала предъявления стандартного тона. Если субъект ожидал повторного появления целевого стимула, гамма-активность пролонгировалась вплоть до 800 мс. Такая поддерживающая гамма-активность после предъявления стандартного тона могла быть интерпретирована как следствие удержания представления с тем, чтобы корректно выполнить дискриминационную задачу. Это соответствовало отчетам обследуемых, которые сообщали о том, что они внутренне проигрывали стандартный тон с тем, чтобы быть готовыми распознать целевой. Этот эффект, однако, мог быть связан и с усилением внимания.

C. Tallon-Baudry с соавт. (1998) исследовали гамма-ответы, вызванные отсроченным представление эталонного зрительного образа. Были обнаружены осцилляции в гамма - и бета- (15-20 Гц) частотных областях в период задержки, предположительно также связанные с сохранением образа в кратковременно памяти. Последнее не отмечалось в контроле, когда удержания образа в кратковременной памяти не требовалось. Топографически в эту активность были вовлечены височно-затылочные и лобные зоны, что согласуется с известными сведениями о топографии нейронных сетей, связанных с кратковременной памятью у человека (Ungerleider L. G., 1995). Даже поздние компоненты ВП не отражали процесс удержания (вследствие повторения) стимула в кратковременной памяти.

В ситуации распознавания человеком так называемых "лиц Mooney" (Mooney C. M., 1957) (в отличии от ситуации нераспознавания) спустя около 230 мс от момента предъявления образа в ЭЭГ возникает специфический паттерн фазовой синхронизации гамма-активности с частотой 35-40 Гц (Rodriquez E. и др., 1998, 1999). Его топография также совпадает с расположением неокортикальных регионов, ответственных за распознавание зрительных образов, в частности, лиц. Второй период фазовой синхронизации гамма-частот, общий для ситуации распознавания и нераспознавания, по-видимому, был связан с формированием моторного ответа, о чем свидетельствовала пространственная структура формируемого паттерна. Эти периоды были разделены фазой десинхронизации, которой авторы отводят существенную роль в квантовании последовательности когнитивных этапов целостного поведенческого акта. Существенных различий между ситуациями распознавания и нераспознавания по спектральной мощности гамма-частот обнаружено не было.