Кіріспе
Көзді ашып-жұмғанша шарттастыру (КЖШ) – оқыту мен есте сақтаудың нейрондық құрылымдары мен механизмдерін зерттеу үшін кеңінен қолданылатын классикалық шарттастырудың бір түрі. Процедура салыстырмалы түрде қарапайым және көбінесе дыбыстық немесе көру стимулын (шартты стимул (CS)) көзді жұмылып алуға себеп болатын шартсыз стимулмен (US) (мысалы, көкжарға жеңіл ауа соғу немесе жеңіл электр тогы) жұптаудан тұрады. Бұрын тәжірибесі жоқ организмдер бастапқыда рефлекстік, шартсыз жауап (UR) (мысалы, қабақты жыпылықтату немесе никтитациялық жарқынды кеңейту) көрсетеді, ол US пайда болғаннан кейін пайда болады. CS пен US көп рет жұптасқаннан кейін, қауымдастық қалыптасады, нәтижесінде үйренген қабақты жыпылықтату, яғни шартты жауап (CR) пайда болып, US пайда болуына дейін орын алады. Оқу деңгейі әдетте CS-US жұптасқан сынақтардың қанша пайызы CR-ға әкелетінімен бағаланады. Оңтайлы жағдайда, жақсы оқытылған жануарлар CR-дың жоғары пайызын (> 90%) көрсетеді. Көзді жұмып CR-ды оқыту үшін қажетті жағдайлар мен физиологиялық механизмдер көптеген сүтқоректілер түрлерінде, соның ішінде егеуқұйрықтар, тышқандар, теңіз шошқалары, қояндар, күзендер, мысықтар және адамдарда зерттелді. Тарихи тұрғыдан алғанда, қояндар зерттеулерде ең көп қолданылатын объектілер болған.
CS-US кезек күтуі
Стимулдардың ұсынылу реті классикалық шарттанудың барлық түрлерінде маңызды фактор болып табылады. Алға қарай шарттану – бұл CS (шартты стимул) уақыт бойынша US (шартсыз стимул) алдында ұсынылатын форматты сипаттайды. Яғни, зерттеу нысанының көзқарасынан, US-ты сезіну CS-ты сезінуге байланысты болады. ЕБК (эксперименттік басқару блогы) әдетте, бірақ әрқашан емес, осылай жүргізіледі. Басқа стимул байланыстарына кері шарттану кіреді, онда US CS алдында келеді, және бірдей уақытта шарттану, онда CS және US бір уақытта ұсынылады. Қандай жағдайда болсын, CS басталуы мен US басталуы арасындағы уақыт – стимулдар аралық интервалы (САИ). Жануарлар әдетте адамдарға қарағанда қысқа САИ-мен оқытылады, бұл түрлер аралық салыстыруды қиындатады.
Келесіге дейін кідірту және іздеу
Кейінгі EBC жағдайында, шартты тітіркендіргіштің (CS) басталуы, шартсыз тітіркендіргіштің (US) басталуынан бұрын болады, және екі тітіркендіргіш те қабаттасып, бір уақытта аяқталады, тітіркендіргіштер мишақша қабығы мен интерпозит ядросында жиналады. Іздік EBC-де, CS, US-тен бұрын болады, және CS тоқтағаннан кейін US басталар арасында тітіркендіргішсіз кезең (іздік аралық) болады. Бұл екі процедураның екеуіне де мишақша қажет болса, іздік процедураға гиппокамп пен медиальды префронтальды қабық та қажет.
Көзді жұмып көру рефлексі
Көздің мүйіз қабығына ультрадыбыс жеткізілген кезде, сезімтал ақпарат тригеминальды ядроға жіберіледі және тікелей және жанама түрде (торлы құрылым арқылы) қосымша абдуценс және абдуценс қозғалыс ядроларына беріледі (Бас сүйек жүйкесінің ядросын қараңыз). Бұл ядролардан шығатын сигналдар түрлі көз бұлшықтарын басқарады, олар мүйіз қабығының тітіркенуіне шартты емес жыпылықтау реакциясын тудыру үшін бірлесіп жұмыс істейді (Christian & Thompson, 2003). Көз қабағының жабылуын қамтамасыз ететін orbicularis oculi бұлшығының электромиографиялық (ЭМГ) активтігі, жыпылықтаудың ең айқын және сезімтал компоненті болып саналады (Lavond et al., 1990) және осылайша, ЭБК зерттеулерінде мінез-құлыққа негізделген ең көп қолданылатын тәуелді айнымалы болып табылады.
АҚШ жолы
Тригеминальды ядро сонымен қатар төменгі зәйтүнге (IO) эфферентті проекцияларды жібереді, және бұл EBC үшін шартты емес стимулдың (US) жолын құрайды. Көздің жымылуын шарттау үшін маңызды IO аймағы – дорсальды қосымша зәйтүн (Brodal, 1981), ал осы аймақтан шығатын көтерілуші талшықтар (CF) ақыл-ойыққа шартты емес стимул туралы ақпарат жібереді (Brodal, Walberg & Hoddevik, 1975; Thompson, 1989). Көтерілуші талшықтар соңында мидың терең ядроларына және ми қабығындағы Пуркинье жасушаларына (PCs) проекцияланады.
CS жолы
Понтиндік ядролар (ПН) шартты стимулдың (CS) әртүрлі түрлерін (есту тоны, жарық және т.б.) қолдай алады, себебі олар есту, көру, соматосенсорлық және қауымдастырылымдық жүйелерден проекцияларды қабылдайды (Glickstein және басқалар, 1980; Brodal, 1981; Schmahmann & Pandya, 1989; 1991; 1993). Егер CS тоны болса, есту ақпараты кохлеарлық ядролар арқылы қабылданады (Steinmetz & Sengelaub, 1992). ПН-нен CS-қа қатысты ақпаратты (Steinmetz және басқалар, 1987; Lewis және басқалар, 1987; Thompson және басқалар, 1997) мидың орталық ми сабағы арқылы миға жеткізетін мохты талшықтар (MF) аксондары шығады және ми ядроларында да, ми қабығының түйіршік жасушаларында (GR) да аяқталады (Steinmetz & Sengelaub, 1992). Түйіршік жасушалары параллельді талшықтар (PF) аксондарын құрайды, олар Пукинье жасушаларына (ПК) синапс жасайды.
Мидандағы CS-US конвергенциясы
CS US конвергенциясының екі мишақшалық орны 1) мишақшадағы терең ядролық аймақтың жасушалары және 2) қабықтың PC-лері. ПН және ИО арқылы конвергентті КС және US енгізуден басқа, мишақша ядроларының жасушалары мишақша қабығының ПК-ларынан ГАБА-ергикалық тежегіш енгізуді алады. Интерпозитус ядросынан шығатын сигналдар қызыл ядроға проекцияларды қамтиды, ал қызыл ядро бет және абдуценс ядроларына проекцияларды жібереді. Бұл ядролар рефлекстік көзді жыпылықтаудың моторлық компонентін қамтамасыз етеді. Сондықтан, стимулдар конвергенциясының орны болумен қатар, терең ядролар мишақшаның шығыс құрылымы болып табылады.
Аралас ядроның маңызды рөлі
Дэвид А. МакКормик, профессор Ричард Ф. Томпсонның аспиранты болып оқыған кезінде, көздің жыпылықтау шартты рефлексін (КР) үйрену және орындау үшін мишық ең маңызды құрылым екенін алғаш анықтады. Кейбір ғалымдар аралық ядроның шартты жыпылықтау реакциясын үйрену, сақтау және орындау үшін өте маңызды орын екенін санайды.
Зақымдану зерттеулері
Мидың EBC-дегі рөлін растайтын алғашқы дәлелдер МакКормик және басқалар. (1981) еңбегінде келтірілген. Олар бір жақты мишақша зақымдануының, қабықшасы мен терең ядроларын қамтитын, CR-ді тұрақты түрде жойғанын анықтады. Келесі зерттеулерде жақтық интерпозит және медиалдық дентатты ядролардың зақымдануы бұрын оқытылмаған жануарларда CR-ді қалыптастыруға жеткілікті екендігі (Lincoln et al., 1982) және жақсы оқытылған жануарларда CR-ді жойғанын (McCormick & Thompson, 1984) көрсетті. Соңында, нейрондық жасушалар денелерін жоятын, бірақ өтетін талшықтарды сақтайтын каин қышқылымен жасалған зақымданулар, CR-ді үйрену және орындау үшін маңызды мидың ядролық жасушаларының өте локальді аймағын анықтауға мүмкіндік берді (Lavond et al., 1985). EBC үшін маңызды жасушалар тобы шартты көздің бір жақты алдыңғы дорсолатеральды INP-ның шамамен 1 мм³ аумағымен шектелген сияқты. Осы INP аймағындағы зақымданулар бұрын оқытылмаған жануарларда көзді жыпылықтату CR-ін қалыптастыру мүмкіндігін жояды. Бұған қоса, локальді зақымданудың тұрақтылығы ерекше. Жақсы оқытылған жануарларда зақымдану салдарынан жойылған CR-лер, 8 айдан астамға созылған қарқынды оқытудан кейін де қайта қалыптаспайды (Steinmetz et al., 1992). Бұл нәтижелер EBC-де CR-ді қалыптастыру үшін мидың өте локальді аймағының сақталуы қажет екенін көрсетеді.
Қайта қалпына келтірілетін инактивация зерттеулері
INP-нің қайтымды түрде белсенділігін жою, оның шартты рефлекс (CR) қалыптасудағы рөлін одан әрі растады. Жүйке тінін уақытша белсенділіктен айыру үшін салқындату зондын (< 10 °C) пайдалану және Muscimol немесе Lidocaine жергілікті түрде енгізу сияқты әдістер қолданылады. Бұл әдістердің басты артықшылығы – тәжірибешіге тіндің белсенділігін қосу және өшіру мүмкіндігін береді. Осы инактивация протоколдарының CR оқыту және орындалуға тигізетін әсері ми және оған байланысты ми сабағының құрылымдарында зерттелді. INP-ге қолданғанда, уақытша инактивация бұрын оқытылмаған жануарларда CR-ді үйренуге толыққанды кедерілді етеді, ал инактивациядан кейінгі оқыту кезінде үйрену қалыпты түрде жүреді (Clark et al., 1992; Krupa et al., 1993; Nordholm et al., 1993; Krupa & Thompson, 1997). Сонымен қатар, жақсы оқытылған жануарларда INP-нің инактивациясы шартты жауаптың толыққанды жоғалуына алып келеді, ол INP-нің қызметі қалпына келген кезде бастапқы деңгейге оралады (Clark et al., 1992).
Нейрологиялық жазу зерттеулері
Көздің жыпылықтауы кезінде қоянның INP-сынан көп бірлік нейрондық белсенділігін тіркеу, созылмалы электрод имплантациясы арқылы мүмкін болды және үйренген көздің жыпылықтауы CR басталуына дейін активті болатын, сондай-ақ мінез-құлық CR-нің уақытша пішінін болжаған және модельдеген, жоғары жиілікті жауап үлгісінде оқшауланатын жасушалар популяциясын анықтады (МакКормик және басқалар, 1981; 1982; 1983; Томпсон, 1983; 1986; Фой және басқалар, 1984; МакКормик және Томпсон, 1984a; b; Бертиер және Мур, 1990; Гоулд және Штайнметц, 1996). Ұқсас нәтижелер егеуқұйрық INP-сында да табылды (Freeman & Nicholson, 2000; Stanton & Freemen, 2000; Rogers et al., 2001), бұл оқытудың осы түріне жататын негізгі тізбекшелердің түрлер арасында сақталатынын көрсетеді. INP және оны қоршаған ядролардан алынған жеке нейрондық белсенділік үлгілері EBC кезінде көптеген жауап түрлерін көрсеткенімен (Трейси, 1995), алдыңғы дорсолатеральды INP-дегі көптеген жасушалар шартты стимул (CS) басталуынан кейін кешігіп, шартты рефлекс (CR) басталуына дейін нақты уақыт үлгісінде ату жиілігін едәуір арттырады (Foy және басқалар, 1984; Berthier & Moore, 1990). Бұл жауап беру үлгісі оқытуды кодтауға және/немесе үйренген мінез-құлық жауаптарын орындауға қабілетті құрылымның белгісі болып табылады.
Ағылшын тілін үйренудің маңызды орындары
ЕБК үшін маңызды синапты пластикалық өзгерістерге жауапты баламалы орындар мишықтан төмен орналасқан жерлерде болуы мүмкін деп есептеледі. Ұсынылған орындардың кейбіреулері – қызыл ядро (Цухара, Ода және Нотсу, 1981), тригеминальды ядро және оған байланысты құрылымдар (Десмонд және Мур, 1983) немесе беттік моторлық ядро (Вуди және басқалар, 1974). Алайда, бұл құрылымдардың барлығы көздің жымылу рефлексін (КР) үйрену үшін маңызды пластикалық өзгерістер орындары ретінде қарастырылмайды (Крупа, Томпсон және Томпсон, 1993; Кларк және Лавонд, 1996; Крупа, Венг және Томпсон, 1996).
Қорытынды
Бірге алғанда, зақымдану, белсенділіксіздік және нейрондық жазу зерттеулерінің нәтижелері мидың алдыңғы интерпозит ядросының (INP) дорсолатеральді бөлігі, жаттықтырылған көзге іпсилатеральді, ЭБК-да (қабаттасқан шартты рефлекс) CR (шартты рефлекс) қалыптасуы және көрінісі үшін қажетті орын екенін көрсетеді (Lincoln et al., 1982; Lavond et al., 1984a,b). Дегенмен, соңғы зерттеулер (Nilaweera et al., 2006) мидың шығу жолдарының уақытша тоқтатылуы шартты жауаптардың қалыпты қалыптасуына кедергі келтіретінін анықтады. Авторлар қоянның көзді шағып көру жүйесіндегі осы түрлі ассоциативтік оқыту үшін мидан тыс оқыту және/немесе ми кері байланыс циклдарының жұмысына тәуелді ми оқыту қажет екенін тұжырымдады.
Мишаңы қабығының рөлі
Көздің жыпылықтауын шарттауға қатысы бар екі қабық аймағы – HVI лобуласы (Lavond et al., 1987; Lavond and Steinmetz, 1989; Yeo and Hardiman, 1992) және алдыңғы лобула ((ANT) Garcia, Steele, and Mauk, 1999). Мишықтың қабығының ЕЖС-дегі (көз жыпылықтауын шарттау) маңыздылығы, INP-ге қатысты, ғылыми қауымдастықта пікірталас тудыратын мәселе болып табылады.
Зақымдану зерттеулері
Бірнеше зерттеулер мидың қыртысының көзді жыпылықтату шартты рефлексін (КР) қалыптастырудағы рөлін бағалауға тырысты, ал бастапқы зерттеулер мидың қыртысының кең аумақты аспирациялық зақымдануларына бағытталды. Лавонд пен Штайнметц (1989) INP-ні сақтап, HVI/HVIIa лобульдерін және ANT-тің маңызды бөліктерін толығымен жойды және айқын оқу тапшылығын анықтады. Бақылау тобымен салыстырғанда, зақымдалған жануарлар оқу критерийіне жеті есе көп уақыт жұмсады. Қыртыстық зақымдалған жануарлар КР-дің елеулі пайызына қол жеткізді, бірақ КР-лердің амплитудасы төмен және уақыты дұрыс емес болды. Соңында, оқудан кейін мидың қыртысының кең аумақты зақымдануы қалыптасқан КР-ді жоймайды (Лавонд және басқалар, 1987). Бұл кортикальды абляция зерттеулерінің барлығында ортақ фактор – қыртыстың бөліктері сақталды; бұл қыртыстың басқа аймақтары тіндердің жоғалуын толықтыруға мүмкіндік береді деген болжам жасауға негіз болды.
PCD тышқаны
Пуркинье жасушалары жетіспейтін мидың мутант штаммын классикалық шарттау арқылы жоғарыда аталған зерттеулерде ми қабығының сақталған аймақтарының зақымдалған аймақтарды толықтырып беретінін анықтауға көмектесті. Бұл тышқандар шамамен 3 аптадан кейін өліп жататын Пуркинье жасушаларымен (ПК) туады. ПК-лер қабықтың жалғыз шығыс нейроны болғандықтан, бұл модель ми қабығының барлық бөлігін тиімді түрде зақымдайды. Шарттау нәтижелері қабықшаны сору арқылы зақымдалған тышқандардың нәтижелерімен ұқсас болды. Тышқандар шартты рефлекстерді (CR) жасау үшін айтарлықтай уақыт жұмсады, ал жауаптың уақыты мен күшейімі бұрмаланған (Chen et al., 1996). Сондықтан, көзге қабақтың шартты рефлексін үйренудегі кемшіліктер ми қабығының зақымдануымен байланысты болғанымен, аталған құрылым, ең соңында, CR үйрену немесе сақтау үшін қажетті болып көрінбейді.
Қайта қалпына келтірілетін инактивация зерттеулері
Мишақ қабығының белсенділігін жою зерттеулерінің нәтижелері зақымдану зерттеулерінің нәтижелерімен ұқсас. Мысалы, Крупа (1993) ГАБАА рецепторларының агонисті Муссимолмен HVI лобуласын инактивациялап, айқын үйрену тапшылығын анықтады, бірақ жануарлар ақырында үйренді. Кларк және авторлар (1997) осы нәтижелерді HVI-де салқындату зондымен қайталады. Атвелл, Рахман және Йео (2001) HVI белсенділігін жою кезінде де осыған ұқсас бұзылыстарды анықтады. Олар HVI-ге AMPA рецепторларының антагонисті CNQX-ты инфузия арқылы енгізіп, CNQX инфузиясы жасалған қоянның көзқақпақ рефлексін (CR) үйренбегенін анықтады. Дегенмен, CNQX инфузиясы сақтауға әсер етпеді. Бұл нәтижелер қызығушылық тудырады, өйткені жануарлар басқа барлық ми қабықшасы зақымданулары мен инактивация зерттеулерінде көзқақпақ рефлексін үйренді. Бұл әсердің соншалықты күшті болуының себебі, Attwell және авторлар (2001) жануарларды тек 4 күн бойы оқытты, ал оқыту үшін оңтайлы саналатын ISI диапазонынан тыс оқыту жүргізді [150–300 мс – оңтайлы CS-US аралық, ал ISI ұзартылғанда үйрену деңгейі төмендейді (Schneiderman және Gormezano, 1964; Smith, Coleman және Gormezano, 1969)].
Нейрологиялық жазу зерттеулері
Мишақ қабығының электрофизиологиялық жазу зерттеулері, көзді жыпылықтату шартты рефлексін (КЖСР) оқу процесінде Пуркинье жасушаларының (ПЖ) атқаратын рөлін жақсырақ түсінуге көмектесті. МакКормик пен Томпсон (1984b) көзді жыпылықтату оқу кезінде ПЖ белсенділігін тіркеді және мінез-құлық КЖСР-мен байланысты үлгіде оқшауланатын жасуша популяцияларын тапты, ал басқа ПЖ популяциялары CS немесе US ұсынылуымен сәйкес келетін үлгілерде оқшауланды. Berthier және Moore (1986) HVI лобуласындағы ПЖ-ді бірлік бойынша жазу арқылы ұқсас нәтижелер алды. Олар нейрондар популяциясының КЖСР оқудың әртүрлі аспектілеріне, соның ішінде CS және US ұсынылуына және КЖСР орындалуына байланысты белсенділігін анықтады (Berthier және Moore, 1986; Gould және Steinmetz, 1996). Жақында, ұқсас стимулмен және жауаппен байланысты ПЖ белсенділігі ANT-да (Green және Steinmetz, 2005) табылды. Соңында, HVI және ANT-дегі ПЖ-лердің электрофизиологиялық жазбалары ПЖ-лердің жалпы популяциялық жауаптарындағы айырмашылықты көрсетті. Көптеген ПЖ-лер HVI-да көзді жыпылықтату шарттаған кезде белсенділіктің оңтайлы үлгілерін көрсетеді (Berthier және Moore, 1986; Gould және Steinmetz, 1996; Katz және Steinmetz, 1997), ал ANT-да белсенділіктің тежегіш үлгілерін көрсетеді (Green және Steinmetz, 2005). Бірлік бойынша жазу зерттеуінде, жеке ПЖ-лер көзді жыпылықтатуды бақылайтын аймақта орналасқандығы және US ұсынылуы кезінде альпинистік талшықтарды қабылдайтындығы анықталды, онда тек тежегіш жауаптар ғана табылды. Соңғы зерттеуде ұқсас сипаттағы ПЖ-лер он бес сағаттан астам уақыт бойы бақыланды, онда CS және US-тің қайталама ұсынылуы ПЖ-лердің оқшаулануының біртіндеп тоқтауына әкелді. Бұл паузалық жауап, ПЖ КЖСР деп аталады, сондай-ақ CS ретінде тікелей мох талшығын және US ретінде тікелей альпинистік талшықты стимуляциялау арқылы да алынды. CS және US жұпталмаған ұсынылуы ПЖ КЖСР-дің жойылуына әкелді. Жоюдан кейін жұптасқан ұсынылу қайта енгізілгенде, ПЖ КЖСР-лері жылдам қайта пайда болды, мінез-құлық деңгейінде көрсетілген «сақтау» құбылысын шағылыстырды. ПЖ КЖСР-лері де адаптивті уақытпен синхронизацияланды.
Оқуды кері байланыспен бақылау
Терең мишақша ядролары төменгі зәйтүнді тежейтіні дәлелденді және бұл тежелу, ықтималда, теріс кері байланыс бақылау функциясын атқарады. Оқу процесі барысында зәйтүн тежеледі және бұл тежелудің уақыттық қасиеттері оқытуды бақылау үшін кері байланыс сигналы ретінде өте қолайлы екені көрсетілді. Бұл жолды жұптасқан шартты стимул – шартсыз стимул (CS-US) көрсетулер кезінде стимуляциялау жойылуға алып келеді. Пуркинье жасушаларынан алынған жазбалар Пуркинье жасушасының шартты рефлексі (CR) кезінде зәйтүннің әлсіреуін көрсетеді.
Қорытынды
Бірге қарағанда, зақымдану, инактивация және нейрондық тіркеу зерттеулерінің нәтижелері мишық қабығының қарапайым көз ілкішіндегі шартты рефлекс үйрену немесе сақтау үшін қажет емес екенін, бірақ қалыпты үйренуде қабықтың маңызды үлесі бар екенін көрсетеді.
Параллель талшықтар Пуркинье жасушасының синапсы
PF PC синапстарындағы ұзақ мерзімді депрессия (LTD) EBC-дегі мінез-құлықтық шартты рефлексті (CR) үйрену үшін маңызды функционалдық салдарларға ие деп болжанады (Ito, 1984). Мысалы, жаттығу нәтижесінде INP жасушалары CR орындалуы алдында белсенденеді және мінез-құлықтық CR-дің уақытша пішінін болжайтын жауап жиілігінің арту үлгісінде оқшауланады (McCormick & Thompson, 1984). Бұл белсенділік үлгісі INP-нің шартты жауапты жасауға қабілетті екенін нақты көрсетеді. Ми қабығының Пуркинье жасушалары терең ядролық жасушаларды тұрақты түрде тежейді. Сондықтан, LTD арқылы PC белсенділігінің төмендеуі CS-US аралығындағы тиісті уақытта INP-ні тұрақты тежеуден босатып, CR-ді орындауға мүмкіндік беруі мүмкін. PC белсенділігінің жоғарылауы кері әсер ете алады, CR-ді орындауға тыйым салу немесе шектеу. CR-лер PC-нің тежелуінен босатылған INP арқылы пайда болады деген гипотеза бар (әрі қарай, Perrett et al., 1993).