Методы физиологии поведения

Лекция №2

МЕТОДЫ ФИЗИОЛОГИИ ПОВЕДЕНИЯ

1.  Методология, метод, методики нейрофизиологии поведения

2.  Классификация методов исследования высшей нервной деятельности

1

Под методологией исследования мозга понимаются методологические принципы, и методические (технические) приемы и средства экспериментирова­ния.

Методика – это техника проведения эксперимента.

В недалеком прошлом основными методическими средствами изучения фи­зиологии мозга были разрушение и раздражение. С помощью этих методов полу­чено огромное количество фактов и аналитическом, и в поведенческом планах. Наблюдение за простыми или сложными поведенческими проявлениями с их де­тальным описанием явилось главным способом оценки целостной работы мозга.

Рисунок 1 – Классический эксперимент

Пояснение к рисунку: изучая пищеварение, заметил, что при одном только виде тарелки с едой у собаки начинает выделяться слюна. То, что у любой со­баки выделяется слюна, когда ей в рот кладут пищу, ни у кого не вызывало вопросов. Это было вполне естественно, но собака, за кото­рой наблюдал Павлов, научилась ассоциировать вид тарелки с пищей.

Столкнувшись со случаем ассоциативного научения, решил выяснить, можно ли научить собаку ассоциировать пищу с другими раздражителями, например со светом или звуком.

В эксперименте вживил в слюнную железу собаки фистулу, чтобы измерять количество выделенной слюны. Затем перед собакой ставили миску, в которую автоматически подавалась еда. Экспериментатор сначала включал перед собакой свет, а затем, через несколько секунд, в миску подавалось немного пищи, а свет выключался. Собака была голодна, поэтому отмечалось обильное слюноотделение. Выделение слюны, у голодной собаки, при виде пищи является безусловным (врожден­ным) рефлексом. Здесь нет никакого науче­ния, поэтому еда является безусловным стиму­лом, а свет – нейтральным раздражи­телем. На него собака первоначально никак не реагировала. Однако эту процедуру повторяли многократно: сначала зажигался свет, затем подава­лась пища.

 В результате было обнаружено, что у собаки начиналось выделение слюны сразу же при зажигании света. Более того, слюна начинала выделяться даже тогда, когда после зажигания света пища вообще не подавалась. Таким образом, нейтральный раздражитель – свет – превратился в условный стимул, а у собаки сформировался условный рефлекс.

В 1903 году на 14-м Международном медицинском конгрессе в Мадриде, Павлов выступил с докладом на тему «Экспериментальная психология и психопатология на животных». В этой работе было дано определение условного рефлекса, и показано, что условный рефлекс следует рассматривать как элементарный психологический феномен, который в то же время является физиологическим.

Павлов в своей работе показал, что новые формы поведения могут возникать в результате установления связи между врожденными формами поведения (безусловными рефлексами) и новым раздражителем (условным раздражителем). В случае совпадения во времени и пространстве условного (нового) и безусловного (служащего стимулом безусловной реакции) раздражителя, новый раздражитель начинает вызывать безусловную реакции, и это приводит к совершенно новым особенностям поведения. Сформировавшийся таким образом условный рефлекс может в дальнейшем служить базой для формирования условных рефлексов второго и высших порядков.

Таким образом, по мысли Павлова, все поведение человека может быть понято, изучено и предсказано на основе знания цепочки условных рефлексов, механизмов их формирования и затухания.

Метод условных рефлексов, предложенный , оказал револю­ционизирующее влияние на физиологию и психологию. В распоряжение ученых был дан метод объективного исследования, по­ведения, перестраивалась вся методология научного мышления, формировалась, говоря словами , «объективная физиология мозга и поведения».

Главной задачей и его школы являлось изучение мозговых процессов, лежащих в основе организации целенаправленного пове­дения. Наиболее распро­страненным приемом в школе был метод экстирпации (удаления) участков ко­ры головного мозга (в другой крупнейшей отечественной неврологической шко­ле, возглавляемой , — метод электрической стимуляции коры).

Наиболее эффективным среди других является метод регистрации электриче­ских процессов мозга. Этот метод позволяет оценивать самые различные формы электрических процессов мозга – от суммарной электроэнцефалограммы до внутриклеточно ре­гистрируемой активности отдельной клетки бодрствующего мозга – таков широ­кий спектр применения этого метода. В значительной мере благодаря нему сформи­ровалась новая наука — нейрофизиология поведения.

Внедрение в физиологию мозга методов регистрации его электрических про­цессов произвело революционизирующее влияние на многие аспекты учения о мозговом обеспечении поведения.  В первые в 1929 г. австрийский психиатр Ханс. Бергер[1] обнаружил, что с поверхности черепа можно регистрировать "мозговые волны". Физиологам-экспериментаторам был дан но­вый метод объективного анализа собственно внутримозговой активности, сочета­ние которого с поведенческими актами существенно изменило представления, как о мозговой организации, так и о динамике процессов, которые обеспечивают управление сложными формами поведения.

Нейрофизиологическое направление в изучении физиологии поведения и мозга базируется на регистрации электроэнцефалограм­мы, медленных локальных потенциалов, сверхмедленных колебаний и, наконец, импульсной активности одиночных нервных клеток.

Рисунок 2 – Метод записи электроэнцефалограммы

А - схема регистрации ЭЭГ; В - основные ритмы ЭЭГ. Э1 - активный электрод; Э2 - индифферентный электрод; ПУ и ЛУ - правое и левое ухо.

Электроэнцефалографией называется метод записи электроэнцефалограммы (ЭЭГ) с поверхности черепа, которая представляет собой запись биопотенциалов (биотоков) работающего мозга и отражает суммарную постсинаптическую активность корковых нейронов.

Характер ЭЭГ определяется функциональным состоянием нервной ткани, уровнем протекающих в ней обменных процессов. Нарушение кровоснабжения, гипоксия или глубокий наркоз приводят к подавлению биоэлектрической активности коры больших полушарий. Зависимость ЭЭГ от общего состояния организма широко используют в клинике.

Характер биоэлектрической активности зависит от поступления нервной импульсации по специфическим афферентным каналам от сенсорных систем, а также от подкорковых образований (ретикулярной формации ствола мозга и таламуса).

В условиях полного покоя и отсутствия внешних раздражителей у человека регистрируют спонтанно изменяющуюся ЭГ-активность головного мозга. Основными компонентами спонтанной поверхностной ЭЭГ здорового человека считают два рода ритмических колебаний потенциала - α- и β- волны.

α-волны характеризуются частотой от 8 до 13 имп/с и возникают у человека при исключении зрительной афферентации (в темноте или при закрытых глазах в состоянии покоя). У большинства людей α-ритм хорошо выражен. Амплитуда α-волн не превышает 50 - 100 мкВ. Наибольшая регулярность и амплитуда α-ритма регистрируется в теменной области коры на границе с затылочной. Эта область считается центром формирования α-волн в ЭЭГ.

β-волны доминируют в ЭЭГ человека при деятельном состоянии, интенсивной физической и умственной работе, эмоциональном напряжении, осуществлении ориентировочных и условных рефлексов. β-ритм состоит из быстрых волн длительностью до 40 - 50 мс и частотой 14 - 30 имп/с. Амплитуда β-волн не превышает 5 - 10 мкВ. Лучше всего β-ритм выявляется в лобных областях коры.

δ-ритм состоит из ритмических медленных волн длительностью от 250 до 1000 мс. Частота колебаний 1 - 4 в секунду. Данный ритм выявляется при наркотическом сне или при поражениях кортикальных отделов мозга и в ЭЭГ здорового человека во время сна с амплитудой, не превышающей 20 - 30 мкВ.

В ЭЭГ спящего человека можно зарегистрировать и θ-ритм с частотой 4 - 8 колебаний/с. θ-ритм проявляется и при патологических состояниях головного мозга, а также при крайнем эмоциональном напряжении (рисунок 2).

Впервые у ребенка α-ритм проявляется в 3-х месячном возрасте в виде отдельных групп колебаний и к 6 годам он проявляется довольно четко, хотя характеризуется нестабильностью и имеет пониженную частоту (8 - 9 Гц). Только к 10 - 12 годам α-ритм в ЭЭГ ребенка по своим параметрам приближается к α-ритму взрослого человека. У подростков 12 - 15 лет, вследствие повышения подкорковой активности, уменьшается частота α-ритма и появляется его нестабильность. К 17 - 18 годам ЭЭГ полностью соответствует параметрам взрослого человека.

2

Классификация методов исследования высшей нервной деятельности. Для удобства изложения целесообразно рассматривать отдельно методы изучения по­ведения и методы изучения мозга.

Методы этологического изучения поведения состоят в наблюдении за поведе­нием различных видов животных в естественных условиях их обитания. Главная задача заключается в выявлении путем наблюдения основных структурных со­ставляющих поведения (блоков) и тех факторов, которые ответственны за их реа­лизацию.

Методы условно-рефлекторного изучения поведения проводятся в лабораторных условиях при ограничении, как поведенческого репер­туара, так и огра­ничения действующей сенсорной (внешних сигналов). Именно эти сигналы вводятся в функциональную (временную) связь с данной поведенческой реакцией. Эти методы используются в качестве основного инстру­мента исследования поведения в физиологических лабораториях. В отличие от предыдущих методов при условно-рефлекторном изучении поведения выявляют­ся те возможные поведенческие акты, которые приобретаются в порядке обуче­ния. Лабораторный эксперимент позволяет моделировать различные формы по­ведения и подвергать их тщательному физиологическому анализу. Последнего не удается достичь с помощью этологических методов.

Методы когнитивного изучения поведения используются в лабораторных эксперимен­тах, состоят в выявлении тех сторон психики животных, которые определяют их поведение в сложных жизненных ситуациях. Причем наряду с выявлением спосо­бов решения поведенческих задач путем тренировки, то есть обучения, эти мето­ды позволяют обнаружить в поведении животных явления так называемой эври­стики, то есть способности сразу находить правильный выход из новой и необыч­ной ситуации. Уже из самого наименования следует, что этими методами ученые пытаются описать познавательную сторону поведения. Постепенно усложняя по­ставленные перед животным задачи, исследователь оценивает диапазон способно­стей животного к их решению, будь то лабиринт, проблемный ящик или ориента­ция в свободном пространстве.

Морфологические методы создают фундамент наших сведений о тонком строении мозга, который используется для разработки после­дующих физиологических концепций. Наиболее результативно комплексное использование приемов световой и электронной микроскопии вместе с приемами гистохимии, иммуноцитохимии, и радиохимии.

Биохимические методы изучение химических свойств пептидов, медиа­торов и модуляторов, аминокислот и других биологически активных соединений, участвующих в жизнедеятельности нервных структур.

Физиологические методы включают в себя несколько экспериментальных при­емов: разрушение отдельных участков мозга и электрическое раздражения мозга. Оба эти приема или подхода в наше время не утратили своего значения, а, наоборот, стали активно применяться в свя­зи с внедрением в практику физиологического эксперимента стереотаксической техники. Последняя позволяет в трехкоординатной системе вводить разрушаю­щий или раздражающий электрод в любой очень локальный участок мозга. Этот же прием используется в клинической практике для терапии ряда неврологиче­ских и психических заболеваний.

В последнее время все активнее используются приемы хемостимуляции. термо - и хеморазрушения (иногда обратимого блокирования) отдельных мозговых струк­тур, а также разрушение их ультразвуком. Эти приемы имеют ряд преимуществ перед электростимуляцией в связи с большей локальностью и контролируемо­стью воздействия. Все эти методы требуют морфологического контроля и исследования состояния мозговой ткани. Кроме локальных воздействий применяют то­тальное воздействие на мозг электромагнитными и звуковыми полями различной частоты.

Микроэлектродный метод основан на подведении к одиноч­ным нейронам микроэлектродов. Чаше всего их делают в виде стеклянных микропипеток, которые перед опытом заполняются электролитом (3М КСl). Метод позволяет изучать активность оди­ночных нейронов ЦНС. С помощью микроэлектродов, вводимых внутрь нервных клеток, можно измерять мембранные потенциа­лы покоя, регистрировать постсинаптические потенциалы (воз­буждающие и тормозные), а также потенциалы действия. Разновидностью микроэлектродного метода является метод микроионофореза, при котором используются многоканальные стек­лянные микроэлектроды. Через один из каналов, заполненный электролитом, экспериментатор имеет возможность регистриро­вать электрическую активность нейрона, остальные заполняют­ся биологически активными веществами, которые апплицируют (накладывают аппликации) на работающий нейрон, пропуская через растворы веществ по­стоянный ток.

Таким образом, в условиях прямого эксперимента с регист­рацией активности одиночного нейрона можно наблюдать его реакции на действие различных химических веществ и их влия­ние на условные рефлексы и поведение животного.

Методы молекулярной биологии направлены на изучение роли молекул ДНК, РНК и других биологически активных веществ в образовании условных рефлексов.

Методы холодового выключения структур головного мозга дают возможность визуализировать пространственно-временную мозаику электрических процессов мозга при образовании условного реф­лекса в разных функциональных состояниях.

Стереотаксический метод позволяет с помощью устройства для управляемого перемещения электродов во фронтальном, са­гиттальном и вертикальном направлениях (стереотаксический при­бор) ввести электрод (микропипетку, термопару и т. д.) в различ­ные подкорковые структуры головного мозга по стереотаксическим координатам и подготовить животное для хронического экс­перимента. Координаты этих структур приводятся в специальных стереотаксических атласах. Через введенные электроды можно регистрировать биоэлектрическую активность соответствующей структуры, раздражать или разрушать ее, вводить различные хи­мические вещества. После выздоровления животного применяют метод условных рефлексов.

Метод перерезки и выключения различных участков ЦНС про­изводится механическим, электролитическим путем, а также при использовании замораживания, ультразвуковых, рентгеновских лу­чей. Используя электрошок или вводя снотворные вещества, можно обратимо видоизменять активность мозга в целом и наблюдать за изменением условно-рефлекторного поведения.

Реоэнцефалография основана на регистрации изменений сопро­тивления ткани мозга переменному току высокой частоты в зави­симости от кровенаполнения и позволяет косвенно судить о вели­чине общего кровенаполнения мозга, тонусе, эластичности его сосудов, состоянии венозного оттока.

Эхаэнцефалография основана на свойстве ультразвука по-раз­ному отражаться от структур мозга, его патологических образова­ний, цереброспинальной жидкости, костей черепа и др. Кроме определения размеров локализации тех или иных образований мозга (особенно срединных) эхоэнцефалография благодаря использо­ванию эффекта Допплера дает возможность оценивать скорость и направление движения крови в сосудах, участвующих в крово­снабжении мозга.

[1] Бергер занимался описанием хронической формы паранойи (1913). В 1924 г. ему удалось зафиксировать при помощи гальванометра на бумаге в виде кривой электрические сигналы от поверхности головы (а не непосредственно от самого мозга, как до него; сам факт генерации мозгом электрического тока открыл английский врач Р. Катон в 1875 г.), генерируемые головным мозгом (Uber das Elektroenzephalogramm des Menschen // Arch. f. Psychiat. u. Nervenkrankh. 1929, 87, S. 527-570). Альфа-волны мозговой активности, имеющие частоту 8-12 Гц, получили название "волн Бергера".