Проснувшись ранним весенним утром, зяблик может некоторое время петь песню, патрулируя в антрактах свой участок. При этом он, вероятно, будет угрожать любому другому самцу зяблика, оказавшемуся поблизости, или нападать на него. Затем он может слететь с дерева и некоторое время кормиться на земле, часто рядом с другими самцами, присутствие которых он терпит, пока расстояние между ними не уменьшится до нескольких метров. Покормившись, зяблик, возможно, взлетит на куст, почистит оперение, а затем снова примется петь. Практически его поведение представляет собой непрерывный переход от одних видов активности к другим.
Такие изменения поведения зависят, по-видимому, от изменений физиологического состояния организма, причем каждому состоянию свойственна определенная устойчивость. Тем не менее эти изменения, вероятно, не зависят от целого ряда постоянно действующих экстраневральных факторов, которые заведомо влияют на рассматриваемое поведение. Так, зяблик поет только при определенном гормональном состоянии и только на своей территории, а между тем ни то, ни другое не меняется, когда он, скажем, слетает кормиться. Это позволяет предположить, что экстраневральные факторы не оказывают прямого воздействия на рассматриваемые типы поведения; свое влияние они осуществляют через центральные нервные механизмы.
Точно так же реакция животного на раздражитель не остается постоянной, но изменяется во времени. Если затем раздражитель удалить, то изменение реактивности некоторое время сохраняется, что можно обнаружить при повторном предъявлении этого раздражителя (см., например, гл. 13). Если внешние по отношению к нервным механизмам факторы остаются постоянными, то происходящие изменения следует приписать функционированию нервных механизмов, осуществляющих эту реакцию.
Исходя из этого было постулировано некое «центральное состояние возбуждения», или «центральное мотивационное состояние», которое в течение некоторого времени осуществляет перенос влияния экстраневральных факторов, а также влияний от других отделов центральной нервной системы и «настраивает» организм в целом реагировать сильнее или реагировать определенным образом на определенные раздражители [181, 255, 570, 571, 1457, 1781, 1782, 2201, 2279, 2280].
Когда концепция «центрального состояния возбуждения» была впервые выдвинута Шеррингтоном, речь шла главным образом об изменениях возбудимости, сохраняющихся не более нескольких миллисекунд после прекращения раздражения афферентного нерва. Например, сокращение передней большеберцовой мышцы собаки можно вызвать путем раздражения различных кожных нервов. Если различные участки кожи раздражать близким к порогу током, то реакция будет максимальной при синхронной стимуляции и быстро уменьшается, если интервалы между раздражениями возрастают до 20 мс. Очевидно, первое раздражение вызывает центральное состояние возбуждения, которое сохраняется примерно в течение этого времени. Хотя опыты Шеррингтона и его сотрудников были посвящены главным образом рефлекторным реакциям на уровне спинного мозга, эту концепцию стали привлекать также для интерпретации более сложных реакций, имеющих совсем иное течение во времени.
Центральное состояние, постулированное для объяснения изменений поведения, конечно, нет нужды отождествлять с состоянием какой-то определенной части центральной нервной системы. Однако для удобства начнем с рассмотрения данных, указывающих на роль определенных центральных структур в изменениях мотивационного состояния. Большинство таких исследований проводилось на млекопитающих, и во многих из них (но не во всех) отмечалось значение гипоталамуса. Хотя гипоталамус действительно играет существенную роль в разных видах изменения реактивности, тем не менее их не следует приписывать исключительно состоянию определенных гипоталамических механизмов. Скорее здесь следует говорить о сложных нервных сетях, захватывающих большую часть центральной нервной системы. Концепция «центрального состояния возбуждения», полезная на первых этапах анализа, по мере его углубления отступает на задний план.
12.1. РОЛЬ СТРУКТУР ЦЕНТРАЛЬНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ
Разрушение определенных участков мозга
Многочисленными исследованиями было показано, что локальные разрушения гипоталамуса специфически сказываются на поведении. Например, у крыс разрушение медиальных отделов гипоталамуса, в том числе вентро-медиальных ядер, приводит к развитию гипер- фагии и ожирения, тогда как разрушение более латерально расположенных областей вызывает афагию — животные погибают от истощения при изобилии пищи. Таким образом, можно говорить о наличии в этих областях соответственно центров «насыщения» и «голода» [36,1741, 2334]. Как мы увидим позднее, акт еды, вызванный повреждениями гипоталамуса, хотя и напоминает во многих отношениях естественный, отличается от него повышенной чувствительностью к вкусовым раздражителям. Локальные повреждения гипоталамуса могут сказываться также на многих других типах поведения (см., например, [1928]), хотя при этом лишь в немногих случаях (см., например, [1536]) есть основания говорить о наличии реципрокности механизмов возбуждения и торможения.
Электрическое раздражение
Раздражая электрическим током определенные' отделы гипоталамуса, можно вызвать характерные эффекты, как правило противоположные тем, которые отмечаются при разрушении этих отделов [1034]. Например, прямое электрическое раздражение латерального гипоталамуса вызывает у крыс пищевое поведение, а раздражение
При использованной интенсивности стимуляции соматические реакции не возникали. В первые полчаса интенсивность не изменялась, затем в течение получаса интенсивность раздражения через медиальный электрод слегка уменьшалась, а через латеральный —несколько увеличивалась.
I— латеральный электрод; Л — контроль (раздражения нет); III — медиальный электрод.
вентро-медиальной области прекращает его [35, 36, 337, 1454]. В качестве примера на рис. 101 приведены данные, полученные при введении электродов одновременно в латеральную и медиальную области гипоталамуса крысы. Интенсивность раздражения обеих областей была одинаковой и не менялась в течение первого получаса каждого эксперимента; затем интенсивность раздражения через латеральный электрод немного увеличивали, а через медиальный уменьшали. Перед началом каждого теста животное в течение 18 ч выдерживали без пищи. Несмотря на это, в период первого получасового раздражения через медиальный электрод наблюдалось заметное уменьшение потребления пищи. При раздражении через латеральный электрод наиболее заметное увеличение потребления пищи отмечалось во второй получасовой период эксперимента, тогда как в контроле (т. е. в отсутствие раздражения) крысы в этот период вообще прекращали кормиться. Количество потребляемой пищи через 6 ч после начала опыта было практически одинаковым во всех случая«. В отличие от того, что наблюдается при разрушении гипоталамуса, при электрическом раздражении не отмечалось изменений чувствительности к вкусовым раздражителям [2342].
К другим типам поведения, которые можно вызвать путем раздражения гипоталамуса через вживленные электроды, относятся потребление воды, нападение, бегство, ярость, реакции терморегуляции, мочеиспускание и дефекация, а также сон и двигательная активность. Особенно интересно, что электрическое раздражение может вызвать поиски места для сна, укладывание и засыпание; фактически у высших млекопитающих имеются по крайней мере два типа сна, которые контролируются различными отделами среднего и заднего мозга [1034, 1840].
На рис. 102 [2025] схематически представлено расположение некоторых точек, при раздражении которых наблюдались различные типы поведения. Эти данные были получены путем вживления в мозг животного многочисленных электродов и раздражения через каждый из них по очереди. Эксперименты проводились в специальной камере, куда помещали, например, пищу, воду, материал для гнезда и тому подобные предметы, с тем чтобы животные могли проявить самые разнообразные реакции. Каждый тип поведения изменялся в зависимости от места раздражения.
Акерт [17] в своем обзоре работ по млекопитающим показал, что между плацентарными и сумчатыми в этом отношении, по-ви- димому, существует близкое анатомическое сходство [2025]. Ана- логичные результаты были получены на птицах [15, 16, 354].
На схематических изображениях срезов мозга представлены положения точек, раздражение которых вызывает положительные (черные кружки) и отрицательные мотивационные реакции; показаны схемы фронтальных срезов гипоталамуса и преоптической области, сделавдшх на расстоянии 10,7—19,7 мм кпереди от уровня интерауральной оси.
— комиссура гиппокампа; 12 — tractus habenulopedunculans; 13 — латеральное ядро гипоталамуса; 14 — мамиллярное тело; 15 — мамилло-таламический тракт; 16 — зрительный перекрест; 17 — зрительный тракт; 18 — ножка мозга; 19 — nucleus filiforrais pars para- ventriculans; 20 — ретикулярное ядро; 21 — субталамическое ядро; 22 — область перегородки; 23 — мозговая полоска; 24 — таламус; 25 — вентро-медиальное ядро гипоталамуса.
Хотя иногда электрическое раздражение вызывает простые стереотипные движения, обычно оно дает физиологический эффект. Например, поведение часто определяется наличием соответствующего объекта (пищи, воды, полового партнера, брусков для грызения и т. д.) в зависимости от раздражаемого участка. Если соответствующие объекты отсутствуют, то проявляется только поисковое поведение (см., например, [951,1120, 1511,1588, 1589,1741, 2023, 2453], а также данные по беспозвоночным [2059, 20611).
Кроме того, электрическим раздражением можно вызвать интегрированные комплексы движений. На рис. 103 приведены некоторые примеры того, как сказывается на поведении голубей электрическое раздражение мозга; вызванные жоведенческие реакции очень сходны с реакциями, наблюдаемыми при естественных групповых взаимодействиях, причем отдельные движения тесно взаимосвязаны, а поза н тонус различных частей тела точно соответствуют конкретным движения»!. Аналогично электрическое раздражение некоторых участков гипоталамуса кошки сначала вызывает двигательную активацию, затем кошка принимает оборонительную позу, мяукает, шипит, фыркает и, наконец, нападает. Это поведение сопровождается реакциями вегетативной нервной системы, возникающими в таких случаях и у интактных животных. Как только раздражение прекращается, исчезает и агрессивное поведение, однако после этого некоторое время порог реакции остается пониженным (обзор - Акерта [17]; [10341). Часто наблюдаются довольно сложные цепи поведения. Например, раздражая у коз электрическим током область, контролирующую потребление воды и пищи, можно вызвать выработанную ранее инструментальную реакцию, подкреплявшуюся водой [44, 2653]. Вызванное электрическим раздражением поведение может взаимодействовать с естественным, в результате чего происходит либо их суммация, либо взаимное торможение, причем животные, по-видимому, способны вести себя таким образом, чтобы ослабить или затормозить вызванные электрическим раздражением движения [5271.
Применение телеметрической техники при электрическом раздражении различных (не только гипоталамических) структур мозга обезьян, содержащихся в группе [528—5311, позволило показать также, что вызванные раздражением сложные формы поведения оказываются организованными в соответствии с иерархическим положением других животных в группе, причем другие Ъсоби адекватно реагируют на вызванные электрическим раздражением действия сородича. В одном эксперименте обезьяну, занимающую подчиненное положение, обучили нажимать на рычаг, вызывающий раздражение хвостатого ядра доминирующей обезьяны, в результате чего ее агрессивность подавлялась. Все эти наблюдения неоспоримо свидетельствуют о том, что изменения, возникающие при электрическом раздражении, весьма близки к естественной активности рассматриваемых отделов мозга; в дальнейшем нам еще придется вернуться к этому вопросу.
Как уже упоминалось (см. разд. 9.3), эффективность электрического раздражения мозга изменяется со временем, что указывает на внутреннее изменение реактивности. Фон Хольст и фон Сент-Пауль [1120] полагают, что такие изменения включают изменение «установки». Они указали, что любой форме поведения животных свойственна инерция, которая не сразу преодолевается раздражителями, вызывающими другую реакцию.
На «кудахтанье» указывают вертикальные метки на верхней линии. Раздражение через 1-й электрод приводит к тому, что курица «оглядывается», а кудахтанье на короткое время прерывается. Раздражение через 2-й электрод заставляет курицу «присесть в сонливом состоянии», что также прерывает кудахтанье, но на больший срок; тем не менее кудахтанье снова возобновляется. Только после продолжительного раздражения через 2-й электрод кудахтанье совсем прекращаете^.
рис. 104. У кур первоначальная установка «кудахтать» лишь ненадолго прерывается электрическим раздражением, вызывающим «отворачивание головы»; раздражение, заставляющее курицу «присесть», прерывает «кудахтанье» более эффективно. Однако исходная установка сохраняется и проявляется сразу же после того, как раздражение снимается, если оно было кратковременным; лишь после продолжительного раздражения исходная установка исчезает совсем. Таким образом, электрическое раздражение, вероятно, вызывает в организме изменения, которые, по всей видимости, сохраняются дольше, чем длится само раздражение (см. также [9521). Обычно продолжительность таких эффектов невелика, но в некоторых случаях — при раздражении гипоталамуса — они оказываются весьма длительными. Так, Дельгадо и Ананд [532] обнаружили у кошек повышенное потребление пищи на второй день после раздражения латерального гипоталамуса. Смит [2244] получил аналогичные результаты на крысах.
Введение в мозг фармакологических препаратов, гормонов и метаболитов в определенные участки мозга
Введение в мозг различных биологически 'активных веществ может оказать специфическое воздействие на поведение. Мы уже рассмотрели пример такого воздействия на «дыхательный центр» в гипоталамусе, а также влияние введения эстрогенов в гипоталамус кошки (см. разд. 9.4). Известно, что микроинъекции гипертонического раствора хлористого натрия в гипоталамус козы вызывают усиление питьевого поведения [40]. Миллер в своих экспериментах с кошками показал, что после введения гипертонического раствора КаС1 в мозг животные начинают выполнять выработанную ранее инструментальную реакций, подкрепляемую водой; следовательно, введение раствора хлористого натрия вызывает состояние, сходное с естественной жаждой ([1742, 1744]; см. также разд. 12.2).
Исследования животных с повреждениями мозга показывают, что области, контролирующие потребление воды и пищи, в значительной мере перекрываются; однако эксперименты с Использованием фармакологических препаратов указывают на их химическую специфичность. Гроссман [868] обнаружил, что при введении адренергических веществ в область, контролирующую потребление пищи, животное начинает есть, а при введении холинергических веществ — пить. Потребление воды в ответ на введение в область латерального гипоталамуса холинергического вещества карбахола точно так же прекращается в результате питья за счет обратной связи, как и в случае утоления естественной жажды. Кроме того, хотя присутствие воды в желудке тормозит питьевую реакцию, вызванную карбахолом, еще эффективнее в этом отношении действует смачивание водой полости рта. Таким образом, вызванное карбахолом потребление воды напоминает естественную питьевую реакцию ([1966]; см. также [1337]). В то же время акт еды, вызванный введением в гипоталамус нор&дре- налина, отличен от реакции, вызываемой продолжительным голоданием, и напоминает реакцию, сопровождающую повреждения гипоталамуса в том отношении, что при введении норадреналина также возрастает вкусовая чувствительность (см. разд. 12.2; [298]). Однако этот эффект, по всей вероятности, достаточно сложен, и в данном случае явно имеет место взаимодействие таких факторов, как условия депривации, место раздражения и применяемые химические вещества. Хатчинсон и Рэнфрю [1202] обнаружили, что введение норадреналина в преоптическую область голодного животного вызывает усиление потребления воды, тогда как введение карбахола в передний гипоталамус животного, испытывающего жажду, уменьшает потребление воды.
Как мы уже видели (см. разд. 10.3), потребление воды и пищи частично может контролироваться изменениями в теплопродукции; не удивительно поэтому, что пищевую и питьевую реакции можно вызвать уакже тепловым раздражением преоптической области переднего гипоталамуса [42]. У млекопитающих и птиц тепловое раздражение определенных точек гипоталамуса также может вызвать реакции терморегуляции [16, 118, 914, 1972]; были обнаружены нейроны, реагирующие на изменения температуры ([1001, 1838]; см. также [489]). Фельдберг и Майерс [690] вызывали изменения температуры у кошек, вводя им в передний гипоталамус амины, а Майерс [1826] показал, что перфузия третьего желудочка мозга обезьяны-реципиента жидкостью из третьего желудочка обезьяны-донора вызывает у первой реакции терморегуляции в соответствии с температурой донора. Используя метод введения веществ в желуДочки мозга, Майерс и Якш [1828] обнаружили, что аминергические вещества вызывают изменения пищевой реакции и температуры тела, а холи- нергические приводят только к температурным изменениям. Трудности, связанные с трактовкой опытов по химической активации гипоталамических механизмов, подчеркнуты в опубликованном недавно обзоре Майерса и Шарпа [1827], а механизмы, связанные с терморегуляцией, обсуждаются в работе Блая [278].
Проведенные в последнее время исследования показали, что интракраниальное введение (не обязательно в гипоталамическую область) различных веществ может вызвать не только кратковременные, но также стойкие изменения в поведении. У крыс, которым систематически вводили в желудочки мозга этиловый спирт, неожиданно обнаружилось стойкое «пристрастие» к потреблению этилового спирта умеренной концентрации; при гистологическом исследовании таких животных никаких морфологических изменений в мозгу обнаружено не было [1825].
Регистрация электрической активности различных отделов мозга
Другой метод заключается в регистрации во время опыта изменений электрической активности различных отделов мозга. Например, Бробек и др. [338] обнаружили, что препараты, снижающие аппетит, вызывают изменения ЭЭГ, сходные с изменениями, наблюдаемыми при барбитуратном наркозе во всех отделах гипоталамуса, за исключением медиальных ядер, активность которых, напротив, возрастает. Растяжение стенок желудка также является причиной активности в вентро-медиальном ядре [2189], но при гипергликемии активность вентро-медиальной области усиливается, а активность латеральных областей гипоталамуса незначительно уменьшается [37].
Самораздражение мозга
Другое возможное направление исследований, позволяющее получить сведения о центрах, расположенных в гипоталамусе,-^ эксперименты с использованием подкрепляющего эффекта электрического самораздражения через вживленные в мозг электроды. Олдс (1875—1877] утверждает, что в тех отделах мозга, для которых характерен эффект подкрепления (см. разд. 9.3), имеются участки, где этот эффект усиливается введением андрогенов или голоданием (см. также [313]); это справедливо, по-видимому, как для млекопитающих, так и для птиц [817]. В исследованиях Хоубела и Тейтельбаума [1092] было показано, что латеральные и медиальные отделы гипоталамуса действительно контролируют у крыс самораздражение, подобно тому как они контролируют пищевое поведение. Раздражение центра насыщения подавляет не только потребление пищи, но и самораздражение через электрод, вживленный в латеральный гипоталамус. Наоборот, выключение (химическое) центра насыщения приводит и к более активному поглощению пищи, и к более энергичной самостимуляции латеральной области (см. также [715]). Спайс [2270] обнаружил, что крысы, которым предоставляли возможность выбирать между пищей и возможностью самораздражения, предпочитали последнее, несмотря на усиление голода; этот эффект отмечался только тогда, когда электроды находились в латеральном гипоталамусе.
Однако имеются данные, показывающие, что потребление пищи в результате контролируемого извне раздражения гипоталамуса и поведение при самораздражении могут зависеть от разных механизмов. Во-первых, пороги этих реакций различны. Кроме того, амфетамин, который, судя по многочисленным поведенческим тестам, уменьшает чувство голода, повышает порог пищевых реакций, вызванных внешним электрическим раздражением, и, наоборот, снижает порог при самораздражении [1743, 1954].
Миллер [1744, 1745] предположил, что существует связь между самораздражением и половым поведением. Он обнаружил, что при электрическом раздражении той области гипоталамуса, которая контролирует эйякуляцию, или соседних участков вероятность получить положительный эффект подкрепления больше, чем при раздражении других отделов (см. также [1012, 1877]). Кагиула [392], вживляя электроды в задний гипоталамус, обнаружил, что частота самораздражения увеличивается под влиянием тестостерона. Электрическое раздражение той же области заставляет самцов спариваться с самками в эструсе или нажимать на рычаг, обеспечивающий к ним доступ, причем половая активность сохраняется и поел* эйякуляции.
Одно из возможных объяснений этого явления заключается в том, что самораздражение происходит только при одновременном возбуждении мотивационной и подкрепляющей систем. Кунс и Крюс [462] обнаружили, что крысы будут нажимать на рычаг, обеспечивающий самораздражение соответствующего участка мозга током, слегка превышающим пороговую величину, только в том случае, когда рядом находится пища; в противном случае они не будут выполнять эту инструментальную реакцию. При более сильном токе самораздражение продолжается, даже если пища отсутствует. Кунс и Крюс предположили, что в последнем случае происходит распространение электрического раздражения, в результате чего активируются механизмы обратной связи, соответствующие данному побуждению. Чем интенсивнее раздражение механизмов побуждения, тем шире диапазон тех видов обратной связи, которые могут служить подкреплением. Согласно этой точ^ке зрения, сенсорная обратная связь может быть весьма неспецифичной, а самораздражение возможно потому, что раздражители, служащие подкреплением, имеются почти всегда (см. ^также гл. 24).