Живой мозг. Удивительные факты о нейропластичности и возможностях мозга

4. Bliss TV, Lømo T (1973). Long-lasting potentiation of synaptic transmission in the dentate area of the anaesthetized rabbit following stimulation of the perforant path, J Physiol (London) 232 (2): 331–356. На ультрамикроскопическом уровне крошечные каналы в мембране, обладающие чувствительностью к определенным химическим сигналам (их называют NMDA-рецепторами, так как они селективно связывают N-метил-D-аспартат), действуют как детекторы совпадений и реагируют, когда два связанных нейрона возбуждаются в пределах узкого временного окна. Многие постсинаптические мембраны содержат NMDA-рецепторы глутамата, равно как и не-NMDA-рецепторы глутамата. Во время нормальной низкочастотной стимуляции будут открываться только не-NMDA каналы, потому что естественно образующиеся ионы магния блокируют NMDA-каналы. Однако высокочастотная пресинаптическая стимуляция, приводящая к деполяризации постсинаптической мембраны, вытесняет ионы магния, что делает NMDA-рецепторы чувствительными к последующему высвобождению глутамата. Благодаря этому NMDA-рецептор может служить детектором совпадений, поскольку чувствителен к совпадению пресинаптической активности с постсинаптической. Таким образом, NMDA-синапсы представляются классическим образчиком хеббовых синапсов и рассматриваются как ключевые хранилища ассоциаций. Более того, NMDA-рецепторы обладают высокой проницаемостью для кальция, что позволяет им индуцировать систему вторичных мессенджеров, которая в конечном счете способна «разговаривать» с геномом и приводить к долговременным структурным изменениям в постсинаптической клетке. Для большинства типов нейронов NMDA-рецепторы играют решающую роль в индукции долговременного потенцирования (long-term potentiation, LTP). Животное можно обучить выполнению поведенческой задачи, однако при введении химических веществ, действующих как NMDA, способность вспомнить конкретные особенности выполнения задачи, судя по всему, исчезает. Обратите, однако, внимание, что NMDA-рецепторы нужны только для индукции, тогда как в основе поддержания перемен лежат другие механизмы; если говорить очень обобщенно, то требуется синтез новых белков в ядре клетки. Животное можно обучить связывать два стимула (скажем, удар тока и вспышку света), но если белковый синтез заблокирован, то у животного может сформироваться только краткосрочная память, а долгосрочная — нет. В большинстве случаев LTP индуцируется, только когда активность в постсинаптической клетке (деполяризация) связана с активностью в пресинаптической клетке. По отдельности пресинаптическая или постсинаптическая активность в этом смысле неэффективны. Кроме того, LTP специфично для конкретного стимулируемого синапса, и это означает, что каждый отдельный синапс в клетке в принципе мог бы усиливаться или ослабевать в соответствии с историей своей предшествующей активности.

5. Относительно роли синапсов в работе памяти см. Nabavi S et al. (2014). Engineering a memory with LTD and LTP, Nature 511: 348–352; Bailey CH, Kandel RR (1993). Structural changes accompanying memory storage, Annu Rev Physiol 55: 397–426.

6. Hopfield J (1982). Neural networks and physical systems with emergent collective computational abilities, Proc Natl Acad Sci USA 9: 2554. Поскольку каждый элемент имеет много связей (синапсов) с соседними, в разные моменты времени он может участвовать во многих различных ассоциациях.

7. Хотя правило Хебба полезно для формирования ассоциаций, один из его теоретических недостатков в том, что оно нечувствительно к порядку событий. В экспериментах давно доказано, что животные обладают строгой восприимчивостью к порядку сенсорных стимулов; собака Павлова, например, ни за что не сформирует ассоциативную связь, если подача мяса предшествует звонку. Аналогично у животного развивается стойкое отвращение к лакомой пище, если всего один раз после поглощения лакомства оно испытает тошноту, однако, если поменять стимулы местами (сначала тошнота, потом пища), это не повлечет за собой отторжения. Здесь может существовать параллель на биофизическом уровне: изменения синаптической силы зависят от порядка пресинаптической и постсинаптической активности. Если входной сигнал от А предшествует возбуждению нейрона B, синапс усиливается. Если входной сигнал от А поступает после того, как клетка B возбудится, синапс ослабевает. Это правило обучения принято называть пластичностью, зависимой от времени импульса, или правилом временной асимметрии Хебба; оно указывает на значимость сопряжения импульсов по времени. Если конкретнее, то асимметричное правило временно усиливает связи предсказательного характера: если А упорно возбуждается до возбуждения B, это может рассматриваться как успешное предсказание и потому усилиться. См. Rao RP, Sejnowski TJ (2003). Self-organizing neural systems based on predictive learning, Philos Transact A Math Phys Eng Sci 361 (1807): 1149–1175.