Лекция №2 МЕТОДЫ ФИЗИОЛОГИИ ПОВЕДЕНИЯ Методология

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 И.П. Павлова
Пояснение к рисунку: изучая пищеварение, И.П. Павлов
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
1
вопросов. Это было вполне естественно, но собака, за которой
наблюдал Павлов, научилась ассоциировать вид тарелки с пищей.
Столкнувшись со случаем ассоциативного научения, И.П.
Павлов решил выяснить, можно ли научить собаку ассоциировать
пищу с другими раздражителями, например со светом или звуком.
В эксперименте И.П. Павлов 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
2
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 И. П. Павловым,
оказал революционизирующее влияние на физиологию и
психологию. В распоряжение ученых был дан метод объективного
исследования, поведения, перестраивалась вся методология
научного мышления, формировалась, говоря словами И. П.
Павлова, «объективная физиология мозга и поведения».
Главной задачей И. П. Павлова и его школы являлось
изучение мозговых процессов, лежащих в основе организации
целенаправленного поведения. Наиболее распространенным
приемом в школе И. П. Павлова был метод экстирпации
(удаления) участков коры головного мозга (в другой крупнейшей
отечественной неврологической школе, возглавляемой В. М.
Бехтеревым, — 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. Бергер1
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,
3
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
S. 527-570). Альфа-волны мозговой активности, имеющие частоту 8-12 Гц, получили название
"волн Бергера".
4
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 αритма 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 βволн 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
5
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
6
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
7
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 при8
бор) 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 поразному 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.
9