Введение

Кондиционирование моргательного рефлекса (EBC) – это форма классического обусловливания, широко используемая для изучения нейронных структур и механизмов, лежащих в основе обучения и памяти. Процедура относительно проста и обычно заключается в сочетании слухового или зрительного стимула (условный стимул (CS)) со стимулом, вызывающим моргательный рефлекс (безусловный стимул (US)) (например, слабый поток воздуха на роговицу или слабый удар током). Наивные организмы изначально демонстрируют рефлекторный, безусловный ответ (UR) (например, моргание или сокращение мигательной перепонки), который следует за началом действия US. После многократных сочетаний CS и US формируется ассоциация, в результате которой появляется выученный моргательный рефлекс, или условный ответ (CR), который предшествует появлению US. Степень обученности обычно оценивается по проценту всех парных испытаний CS-US, приводящих к CR. В оптимальных условиях хорошо обученные животные демонстрируют высокий процент CR (> 90%). Условия, необходимые для формирования CR моргательного рефлекса, и физиологические механизмы, управляющие этим обучением, изучались на многих видах млекопитающих, включая мышей, крыс, морских свинок, кроликов, хорьков, кошек и людей. Исторически, кролики были наиболее часто используемыми объектами исследований.

CS-US непредвиденные обстоятельства

Порядок, в котором стимулы предъявляются, является важным фактором во всех формах классического обусловливания. Форвардное обусловливание описывает формат предъявления, в котором КС предшествует БС во времени. То есть, с точки зрения испытуемого, переживание БС является следствием предшествующего переживания КС. Обусловливание по следам (ЭБК) обычно, но не всегда, проводится таким образом. Другие виды сопоставления стимулов включают обратное обусловливание, в котором БС предшествует КС, и одновременное обусловливание, в котором КС и БС предъявляются одновременно. В любом случае, промежуток времени между началом КС и началом БС называется интерстимульным интервалом (ИСИ). Животных обычно обучают с более коротким ИСИ, чем людей, что может затруднять межвидовые сравнения.

Процедуры отсрочки и отслеживания

При задержке EBC начало условного стимула (CS) предшествует началу безусловного стимула (US), и эти два стимула перекрываются и заканчиваются одновременно, сходясь в коре мозжечка и в интерпозиционном ядре. В случае трассового EBC условный стимул (CS) предшествует безусловному стимулу (US), и между окончанием CS и началом US существует период без стимуляции (трассовый интервал). Хотя обе эти процедуры требуют участия мозжечка, для трассового обучения также необходимы гиппокамп и медиальная префронтальная кора.

Рефлекс мигания

Когда ультразвук воздействует на роговицу глаза, сенсорная информация передается в ядро тройничного нерва и ретранслируется как напрямую, так и косвенно (через ретикулярную формацию) в вспомогательное ядро отводящего нерва и ядро моторного отводящего нерва (см. Ядра черепных нервов). Сигналы из этих ядер контролируют различные глазодвигательные мышцы, которые работают согласованно для выработки непроизвольной реакции моргания в ответ на стимуляцию роговицы (обзор, Christian & Thompson, 2003). Электромиографическая (ЭМГ) активность круговой мышцы глаза, отвечающей за закрытие век, считается наиболее выраженным и чувствительным компонентом моргания (Lavond et al., 1990) и, следовательно, наиболее часто используемой поведенческой зависимой переменной в исследованиях вызванного роговичного блика (ЭРБ).

Путь США

Ядро тройничного нерва также посылает эфферентные проекции в нижнюю оливку (IO), и это представляет собой путь безусловного стимула для обусловленного рефлекса моргания (EBC). Критическим регионом нижней оливки для обусловленного рефлекса моргания является дорсальная дополнительная олива (Brodal, 1981), и волокна-качалки (CF) из этой области передают информацию о безусловном стимуле в мозжечок (Brodal, Walberg & Hoddevik, 1975; Thompson, 1989). Волокна-качалки в конечном итоге проецируются как в глубокие ядра мозжечка, так и в клетки Пуркинье (PC) в коре мозжечка.

Путь CS

Понтинные ядра (ПН) способны поддерживать различные модальности условного стимула (СC) (слуховой тон, свет и др.) для классического обусловливания, поскольку они получают проекции от слуховой, зрительной, соматосенсорной и ассоциативных систем (Glickstein et al., 1980; Brodal, 1981; Schmahmann & Pandya, 1989; 1991; 1993). Когда условный стимул представляет собой тон, слуховая информация поступает через кохлеарные ядра (Steinmetz & Sengelaub, 1992). ПН дают начало аксонам моховых волокон (МФ), которые переносят информацию, связанную с условным стимулом (Steinmetz et al., 1987; Lewis et al., 1987; Thompson et al., 1997), в мозжечок через средний мозжечковый стебель и заканчиваются как в мозжечковых ядрах, так и на гранулярных клетках (GR) мозжечковой коры (Steinmetz & Sengelaub, 1992). Гранулярные клетки дают начало аксонам параллельных волокон (PF), которые образуют синапсы с клетками Пуркинье (PC).

Сближение ЦС-ЮС в мозжечке

Два мозжечковых участка конвергенции CS и US – это 1) клетки глубокого ядерного слоя в мозжечке и 2) клетки Пуркинье коры мозжечка. Помимо получения конвергентных сигналов CS и US через PN и IO соответственно, клетки глубоких ядер также получают GABA-ергическое тормозное влияние от клеток Пуркинье коры мозжечка. Выход из ядра интерпозитус включает проекции в красное ядро, а красное ядро посылает проекции в лицевое и отводящее ядра. Эти ядра обеспечивают двигательный компонент рефлекторного моргательного рефлекса. Таким образом, глубокие ядра являются не только местом конвергенции стимулов, но и выходной структурой мозжечка.

Критическая роль вставленного ядра

Дэвид А. Маккормик, будучи аспирантом профессора Ричарда Ф. Томпсона, изначально выявил мозжечок как структуру, необходимую для обучения и выполнения условного рефлекса моргания (CR). Некоторые ученые полагают, что интерпозиционное ядро является ключевым местом для обучения, удержания и выполнения условной реакции моргания.

Исследования повреждений

Первые доказательства роли мозжечка в EBC поступили от McCormick et al. (1981). Они обнаружили, что одностороннее поражение мозжечка, включающее как кору, так и глубокие ядра, необратимо устраняло CRs. В последующих исследованиях было установлено, что поражения латерального интерпозитуса и медиального зубчатого ядра были достаточны для предотвращения приобретения CR у наивных животных (Lincoln et al., 1982) и устраняли CR у хорошо обученных животных (McCormick & Thompson, 1984). Наконец, использование поражений, вызванных каиновой кислотой, которые разрушают тела нейронных клеток, сохраняя при этом проходящие волокна, предоставило доказательства существования высоколокализованной области ядерных клеток мозжечка, необходимых для обучения и выполнения CR (Lavond et al., 1985). Популяция клеток, критически важных для EBC, представляется ограниченной областью площадью около 1 мм3 в дорсолатеральной передней части INP, ипсилатеральной по отношению к условному глазу. Повреждения этой области INP приводят к неспособности приобретать CR у наивных животных. Кроме того, стойкость эффекта локализованного поражения примечательна. У хорошо обученных животных CR, устраненные в результате поражения, не восстанавливаются даже после продолжительного обучения в течение более 8 месяцев (Steinmetz et al., 1992). Эти результаты демонстрируют, что для обучения CR в EBC необходимо сохранение высоколокализованной области мозжечка.

Исследования обратимой инактивации

Восстановимая инактивация ИНП предоставила дальнейшие доказательства его роли в обучении следом. Методы временной инактивации нервной ткани включают использование охлаждающего зонда (< 10 °C) и локальное введение мусцимола или лидокаина. Преимущество этих методов заключается главным образом в том, что экспериментатор может, по сути, включать и выключать активную ткань. Влияние каждого из этих протоколов инактивации на обучение и выполнение условного рефлекса (УР) было изучено во всем мозжечке и связанных с ним структурах ствола мозга. При применении к ИНП временная инактивация полностью блокирует формирование УР у необученных животных, а обучение протекает нормально при тренировках после восстановления активности ИНП (Clark et al., 1992; Krupa et al., 1993; Nordholm et al., 1993; Krupa & Thompson, 1997). Кроме того, инактивация ИНП у хорошо обученных животных приводит к полному подавлению условного ответа, который возвращается к плато при восстановлении активности ИНП (Clark et al., 1992).

Исследования нейронной записи

Записи многоединичной нейронной активности из INP кролика во время выработки условного рефлекса моргания стали возможны благодаря хроническим электродным имплантам и выявили популяцию клеток, активность которых возрастает перед началом выученного условного рефлекса моргания (CR) и проявляется в виде увеличения частоты разрядов, предсказывающего и моделирующего временную динамику поведенческого CR (McCormick et al., 1981; 1982; 1983; Thompson, 1983; 1986; Foy et al., 1984; McCormick & Thompson, 1984a; b; Berthier & Moore, 1990; Gould & Steinmetz, 1996). Подобные результаты были получены в INP крысы (Freeman & Nicholson, 2000; Stanton & Freemen, 2000; Rogers et al., 2001), что свидетельствует о консервации нейронных механизмов, лежащих в основе данной формы обучения, у разных видов. Хотя анализ активности отдельных нейронов из INP и окружающих ядер выявил множество паттернов активности во время выработки условного рефлекса моргания (Tracy, 1995), многие клетки в передне-дорсолатеральной части INP значительно увеличивают частоту разрядов в четком временном паттерне, который запаздывает относительно начала условного стимула (CS) и предшествует началу CR (Foy et al., 1984; Berthier & Moore, 1990). Этот паттерн активности указывает на структуру, способную кодировать процесс обучения и/или реализовывать выученные поведенческие реакции.

Критические места для обучения в дальнейшем развитии

Предполагается, что альтернативные участки синаптической пластичности, критичные для условного рефлекса моргания (ЭБК), существуют ниже по течению от мозжечка. Некоторые из предложенных локаций включают красное ядро (Цукахара, Ода и Нотсу, 1981), ядро тройничного нерва и связанные с ним структуры (Десмонд и Мур, 1983) или ядро лицевого нерва (Вуди и др., 1974). Все эти структуры были исключены в качестве потенциальных участков пластичности, критичных для обучения условному рефлексу моргания (Krupa, Thompson, and Thompson, 1993; Clark and Lavond, 1996; Krupa, Weng, and Thompson, 1996).

Резюме

В совокупности результаты исследований поражений, инактивации и нейронной регистрации, по-видимому, демонстрируют, что дорсолатеральная часть переднего интерпозитусного ядра (ИНП) мозжечка, ипсилатеральная к обученному глазу, является необходимым участком для приобретения и проявления условного рефлекса (CR) в EBC (Lincoln et al., 1982; Lavond et al., 1984a,b). Однако, недавние исследования (Nilaweera et al., 2006) показали, что временная блокада выхода из мозжечка препятствовала нормальному приобретению условных реакций. Авторы заключили, что эта форма ассоциативного обучения в системе моргательного рефлекса кролика требует обучения вне мозжечка и/или мозжечкового обучения, зависящего от функционирования мозжечковых контуров обратной связи.

Роль коры мозжечка

Две области коры, известные своей ролью в обусловливании моргательного рефлекса, — это лобуль HVI (Lavond et al., 1987; Lavond и Steinmetz, 1989; Yeo и Hardiman, 1992) и передняя доля ((ANT) Garcia, Steele и Mauk, 1999). Важность коры мозжечка в обусловливании моргательного рефлекса по сравнению с входомным путём к мозжечку (ИНП) остаётся предметом дискуссий в научном сообществе.

Исследования повреждений

Несколько исследований были направлены на оценку роли коры мозжечка в обучении условным рефлексам моргания, и ранние работы были сосредоточены на больших аспирационных поражениях коры мозжечка. Лавонд и Штайнметц (1989) полностью удалили дольки HVI/HVIIa и значительные части ANT, сохранив INP, и обнаружили значительные дефициты в процессе обучения. По сравнению с контрольной группой, животным с поражениями потребовалось в семь раз больше времени для достижения критерия обучения. В конечном итоге значительный процент условных рефлексов был достигнут у животных с кортикальными поражениями, однако амплитуда этих рефлексов была низкой, а синхронизация – плохой. Наконец, обширные поражения коры мозжечка после завершения обучения не приводят к исчезновению выученных условных рефлексов (Lavond et al., 1987). Общей чертой всех этих исследований кортикальной абляции было то, что часть коры оставалась неповрежденной, что позволяет предположить, что другие области коры компенсировали потерю ткани.

Мышь PCD

Классическое обуславливание на линии мутантных мышей с дефицитом клеток Пуркинье позволило определить, в какой степени сохранившиеся области коры мозжечка компенсировали поврежденные области в вышеупомянутых исследованиях. Эти мыши рождаются с клетками Пуркинье, которые погибают примерно через 3 недели жизни. Поскольку клетки Пуркинье являются единственным выходным нейроном коры, эта модель фактически вызывает поражение всей коры мозжечка. Результаты обуславливания были схожи с результатами, полученными на мышах с кортикальной аспирацией. Мышам потребовалось значительно больше времени для выработки условных рефлексов (CR), а временные характеристики и амплитуда ответа были искажены (Chen et al., 1996). Следовательно, хотя дефицит обучения условных рефлексов при моргании связан с поражениями коры мозжечка, сама структура, в конечном счете, не является необходимой для обучения или сохранения условных рефлексов.

Исследования обратимой инактивации

Результаты исследований инактивации коры мозжечка аналогичны результатам исследований поражений. Например, Крупа (1993) инактивировал дольку HVI с помощью агониста GABAA-рецептора Мусцимола и обнаружил значительные дефициты в обучении, но животные в конечном итоге научились. Кларк и др. (1997) воспроизвели эти результаты с помощью охлаждающего зонда в дольке HVI. Атвелл, Рахман и Йео (2001) обнаружили аналогичное нарушение при инактивации HVI. Они вводили антагонист AMPA-рецептора CNQX в HVI во время тренировок по приобретению, и обнаружили, что кролики, которым вводили CNQX, не выработали условный рефлекс моргания. Однако, введение CNQX после приобретения не влияло на сохранение рефлекса. Эти результаты сбивают с толку, учитывая, что животные в конечном итоге выработали условный рефлекс моргания во всех остальных исследованиях поражений и инактивации коры мозжечка. Одной из причин, по которой этот эффект так выражен, может быть то, что Атвелл и др. (2001) тренировали животных всего 4 дня при ISI, выходящем за пределы диапазона, известного как оптимальный для обучения [150–300 мс является оптимальным интервалом между условным и безусловным стимулами, и эффективность обучения снижается с увеличением ISI (Schneiderman и Gormezano, 1964; Smith, Coleman и Gormezano, 1969)].

Исследования нейронной записи

Исследования электрофизиологической регистрации коры мозжечка помогли лучше понять роль, которую играют клетки Пуркинье в процессе обучения условно-рефлекторному морганию. Маккормик и Томпсон (1984b) регистрировали активность клеток Пуркинье во время тренировки моргательного рефлекса и обнаружили популяции клеток, которые активировались в паттерне, по-видимому, связанном с поведенческим условным рефлексом, в то время как другие популяции клеток Пуркинье активировались в паттернах, совпадающих с предъявлением условного (CS) или безусловного (US) стимула. Подобные результаты были получены Бертье и Муром (1986) при регистрации активности отдельных клеток Пуркинье в дольке HVI. Они обнаружили, что популяции нейронов активируются в связи с различными аспектами тренировки моргательного рефлекса, включая предъявление CS и US, и выполнение условного рефлекса. (Berthier и Moore, 1986; Gould и Steinmetz, 1996). Недавно аналогичная активность клеток Пуркинье, связанная со стимулом и ответом, была обнаружена в ANT (Green и Steinmetz, 2005). Наконец, электрофизиологическая регистрация активности клеток Пуркинье в HVI и ANT выявила различия в общих популяционных ответах клеток Пуркинье. Большинство клеток Пуркинье демонстрируют возбуждающие паттерны активности во время условного моргательного рефлекса в HVI (Berthier и Moore, 1986; Gould и Steinmetz, 1996; Katz и Steinmetz, 1997), и ингибирующие паттерны активности в ANT (Green и Steinmetz, 2005). В исследовании с регистрацией активности отдельных клеток, где было показано, что отдельные клетки Пуркинье расположены в области, контролирующей моргание, и получают восходящие волокна при предъявлении US, были обнаружены только ингибирующие ответы. В недавнем исследовании аналогично характеризуемых клеток Пуркинье, за которыми наблюдали в течение более пятнадцати часов, было обнаружено, что повторные предъявления CS и US вызывали постепенное развитие паузы в активности клеток Пуркинье. Эта пауза, называемая условно-рефлекторным ответом клеток Пуркинье, также была получена при использовании прямой стимуляции моховых волокон в качестве CS и прямой стимуляции волокон-скалолазов в качестве US. Непарные предъявления CS и US вызывали угасание условно-рефлекторного ответа клеток Пуркинье. Когда парные предъявления были возобновлены после угасания, условно-рефлекторные ответы клеток Пуркинье быстро восстанавливались, отражая феномен "сохранения", продемонстрированный на поведенческом уровне. Условно-рефлекторные ответы клеток Пуркинье также были адаптивно синхронизированы.

Контроль обратной связи обучения

Было показано, что глубокие мозжечковые ядра ингибируют нижнее оливковое ядро, и это ингибирование, вероятно, выполняет функцию отрицательной обратной связи. В процессе обучения оливковое ядро становится ингибированным, и было установлено, что это ингибирование обладает временными характеристиками, которые идеально подходят для использования в качестве сигнала обратной связи, контролирующего процесс обучения. Стимуляция этого пути во время одновременной подачи условного (CS) и безусловного (US) стимулов вызывает угасание условного рефлекса. Регистрация активности клеток Пуркинье показывает, что активность оливкового ядра снижается во время условного рефлекса клеток Пуркинье.

Резюме

В совокупности результаты исследований поражений, инактивации и нейронной регистрации свидетельствуют о том, что кора мозжечка не является необходимой для базового обучения и сохранения условного рефлекса моргания, однако значительный вклад коры необходим для нормального обучения.

Параллельные волокна Синапс клеток Пуркинье

Предполагается, что долговременная депрессия (LTD) в синапсе PF-PC имеет значительные функциональные последствия для формирования поведенческого CR в EBC (Ito, 1984). Например, в результате обучения клетки INP активируются перед выполнением CR и генерируют паттерн повышенной частоты импульсов, который предсказывает временную структуру поведенческого CR (McCormick & Thompson, 1984). Этот паттерн активности ясно указывает на способность INP генерировать условный ответ. Клетки Пуркинье коры мозжечка тонически ингибируют клетки глубоких ядер. Следовательно, снижение активности PC, опосредованное LTD в подходящий момент интервала CS-US, может освободить INP от тонического торможения и обеспечить выполнение CR. Увеличение активности PC может оказать противоположный эффект, подавляя или ограничивая выполнение CR. Выдвинута гипотеза, что CR генерируются INP в результате снятия ингибирующего влияния PC (например, Perrett et al., 1993).