В предыдущей главе было показано, что последовательное или непрерывное предъявление раздражителя может вызвать снижение реактивности. Однако через некоторое время угасшие было реакции «спонтанно» восстанавливаются. В связи с этим возникает более общий вопрос: до какой степени изменения поведения могут быть спонтанными?
Здесь возможны семантические осложнения. В настоящем контексте термин «спонтанный» употребляется по отношению к тем изменениям на выходе системы, для которых не известно соответствующих изменений на входе. Поэтому во всех случаях, когда речь идет о спонтанной активности, необходимо предварительно оговорить,
о какой системе идет речь. Поведение животного в целом можно называть спонтанным, хотя изменения активности центральной нервной системы, регулирующие это поведение, зависят от происходящих в организме изменений. Аналогичным образом активность нервной системы в целом может быть спонтанной, тогда как активность ее частей таковой не является, а спонтанный разряд нейрона* зависит от протекающей в нем сложной цепи событий. Несомненно, что в каждом случае спонтанность системы зависит от ряда внешних относительно рассматриваемой системы условий, которые должны оставаться в определенных границах.
Поскольку спонтанность определяется как отсутствие корреляции между входом и выходом, спонтанная активность отличается от активности, вызванной внешними воздействиями, только по степени. Характер активности практически определяется продолжительностью и изменчивостью последовательности протекающих в системе событий, которые предшествуют данной активности и не зависят от факторов, внешних относительно системы. Если цепь этих событий достаточно длинна, активность представляется спонтанной.
Следовательно, применительно к поведению спонтанными принято называть такие изменения, которые весьма слабо связаны с изменениями экстероцептивного раздражения; это явление распространено по всему животному миру — от простейших [1270] и морских анемонов [174] до млекопитающих. Как уже отмечалось, по мере усиления мотивационных факторов данная реакция может вызываться все более слабым внешним раздражением (гл. 11); в предельном случае раздражения вообще не требуется, и реакция возникает спонтанно. Лоренц [1562] описал целый ряд таких случаев, назвав их «активностью вхолостую». Например, сытый скворец, который в течение некоторого времени был лишен возможности ловить мух, вдруг начинал проделывать всю последовательность движений, направленных на поиск, схватывание и умерщвление мухи, хотя наблюдатель никакой мухи не видел. Другой пример: канарейка, лишенная материала для строительства гнезда, начинает вплетать несуществующие травинки в несуществующее гнездо [1051]. В подобных случаях наблюдателю бросается в глаза выполнение стереотипных действий, не соответствующих рассматриваемой ситуации; аналогичные изменения поискового поведения (например, когда скворец следит за мухой) более обычны и могут остаться незамеченными.
Об отсутствии четкой границы между спонтанной и вызванной активностью свидетельствуют также исследования Францискета [739], проведенные на децеребрированных и интактных лягушках. Обыч- нр рефлекторное кваканье у лягушек можно вызвать, резко надавив ей на спинку, например пальцем. В опытах Францискета раздражение наносилось с 5-секундными интервалами по 500 раз в день на протяжении трех недель. После такой процедуры у лягушек примерно дважды в день наблюдалось спонтанное кваканье, хотя в течение нескольких недель, предшествовавших тренировке, оно не отмечалось ни разу. Таким образом, в результате частого раздражения рефлекторная реакция превратилась в спонтанную. Приведем еще один пример: фон Хольст и фон Сент-Пауль [1120] рызывали у кур реакцию «квохтанья», раздражая мозг электрическим током. Если раздражения следовали друг за другом через короткие промежутки времени, то пороговое напряжение, вызывающее реакцию, снижалось. Если раздражения наносили достаточно часто, то порог падал до нуля, т. е. реакция становилась спонтанной.
Вопрос о спонтанности в нервной системе, т. е. о таких изменениях на выходе, которые не зависят от изменений ни экстероцептив- ного, ни интероцептивного раздражения, сливается с вопросом
о структурированности нервных разрядов, необходимой для координации сложных движений (гл. 3). Если на вход поступает простой сигнал, а разряд характеризуется определенной структурой, такая модуляция выходных сигналов хотя бы отчасти определяется центральными механизмами. Если входной сигнал носит тонический характер, а на выходе системы регистрируется ритмическая активность, то ритмические изменения содержат элементы спонтанности, но вместе с тем зависят и от структурированности влияний центральных механизмов, даже если ритмичность является пррсто результатом утомления и спонтанного восстановления. Таким рбразом, многие призеры, рассмотренные в гл. 3 в качестве доказательств структурированности центральных влияний, имеют касательство и к данному запросу. Конечно, всякдр раз, когда на выходе системы наблюдается ритмическая активность, это непременно означает наличие обратной связи (в широком смысле), которая учитывает последствия активности и вызывает ее повторение. Однако в случае спонтанных ритмов этот механизм либо присущ самой системе, либо является ее частью (обсуждение см. в [861]).
Отношения между системами, контролирующими характер определенных движений и ритмичность их появления, представлены на рис. 112. Временные параметры ритма могут определяться либо периферическими, либо центральными факторами.
Сигналы, определяющие временные параметры ритма, поступают с периферии. В таких случаях характер реакции может определяться центральными механизмами, если даже она вызывается внешними факторами; например, приближение предмета к глазу вызывает структурированную серию электрических импульсов, что приводит к реакции мигания (рис. 112, А). Если при этом существует обратная связь от экстерорецепторов или проприоцепторов, разряд может стать ритмичным (рис. 112, Б) в этом случае первый сигнал служит триггером.
Сигналы, определяющие временные параметры ритма, поступают от центрального водителя ритма. Этот случай отличается от предыдущего только тем, что имеется некий центральный водитель ритма, который через правильные промежутки времени генерирует сигналы (рис. 112, В—Д). Практически системы, изображенные на рис. 112, Б и В, мало чем отличаются друг от друга: если обратная связь запускает очередной цикл раньше, чем центральный водитель ритма, то наличие последнего оказывается замаскированным. В большинстве случаев внешняя обратная связь определяет параметры спонтанного ритма; если ее нарушить, то ритмические колебания не исчезнут, хотя характер их. изменится (см. гя. 3). В свою очередь функционирование центрального водителя ритма может зависеть от активности внутренних цепей обратной связи.
В некоторых .случаях обратная связь может действовать не на водитель ритма, а на последующие звенья; при этом она модулирует не частоту, а форму ритмических колебаний. Баллок приводит в качестве примера расстройства при ходьбе у больных, страдающих спинной сухоткой, и у слепых (рис. 112, Г). Так или иначе, но обратная связь, по-видимому, организована сложнее, чем это показано на приведенных схемах; она слагается из сложного взаимодействия положительных и отрицательных, специфических и диффузных, быстрых и медленных адаптивных влияний. Некоторые высокочастотные ритмы (рис. 112, Д) (например, те, что генерируются электрическим органом гимнарха), по-видимому, происходят без участия какой-либо обратной связи, внешней относительно водителя ритма [1547]. О других примерах такого рода ритмов мы упоминали выше, когда говорили о ритмической активности в сердечном ганглии омара и стрекотательном аппарате цикады.
В целом ряде случаев были зарегистрированы, ритмические процессы, протекающие в центральной нервной системе, экспериментально изолированной от периферических воздействий, например в брюшной нервной цепочке водяного жука ОШзсиз тагдтаИв [10] и в ганглиях некоторых улиток [1182]. Хорридж [1146] показал нервное происхождение ритмических плавательные движений медуз, а Миллер [1754] обнаружил, что ритм дыхательных движений пустынной саранчи задается водителем ритма, расположенным в среднегрудном ганглии, активность которого сохраняется и в изолированной брюшной нервной цепочке, хотя и может изменяться под действием двуокиси углерода. Другие примеры приводились в гл. 3.
Ритмические разряды такого же нейрогенного происхождения были изучены у эмбрионов птиц и рыб. У этих животных в процессе эмбриогенеза между моментом формирования моторной иннервации мышц и завершением построения сенсорной части рефлекторной дуги проходит некоторое время. В течение этого периода у эмбрионов можно наблюдать спонтанные движения, нередко ритмического характера, хотя вызвать у них рефлекторные реакции еще нельзя [907 , 2420]. У куриного эмбриона спонтанные движения впервые появляются на 4-й день развития и наблюдаются иа протяжении всего эмбрионального периода. Эти движения носят циклический характер, причем каждый цикл состоит из периода активности, вслед за которым следует период покоя; средняя продолжительность и составные элементы цикла с возрастом изменяются. Если перерезать спинной мозг эмбриона на уровне шеи или между крыльями и ногами, спонтанная активность продолжается в каждом отделе независимо. Таким образом, возможные водители ритма имеются во всех отделах спинного мозга, хотя, по-видимому, доминируют те из них, которые расположены ближе к головному мозгу: у спинальных эмбрионов между 8-м и 17-м днем развития активность на 10— 20% ниже, чем у интактных эмбрионов соответствующего возраста. Это определяется не просто количеством нервной ткани: при выборочном удалении мозговой ткани удалось установить, что специфические влияния разных отделов мозга начинают проявляться на разных стадиях инкубации [521, 908, 910—912].
Конечно, из этих примеров не следует, что спонтанная активность отдельных нейронов обязательно носит ритмический характер — она может быть и нерегулярной [2559]. Во всяком случае, ритмическая активность данной группы нейронов зависит от определенных устойчивых тонических влияний. Например, Керкат и Тейлор [1334] зарегистрировали спонтанные разряды в изолированном брюшном ганглии речного рака (Astacus fluviatilis), в нервной цепочке таракана (Periplaneta americana) и в ножном ганглии брюхоногого моллюска (Agrolimax recticulatus). Однако эти разряды в большой мере зависят от температуры: если после изменения температуры дается несколько минут для стабилизации препарата, возникает новый устойчивый ритм разрядов. Для каждого препарата имеется некая оптимальная температура, при которой частота разрядов максимальна, хотя этот оптимум может варьировать в зависимости от температуры, при которой содержалось животное. Резкие перепады температуры вызывают заметные отклонения в частоте разрядов (см. также [1628]).
Разработанная в последнее время методика внутриклеточного отведения биопотенциалов дала возможность изучать электрическую активность нервной системы на клеточном уровне (см., например, [372, 2037]). Во многих нейронах были обнаружены спонтанные разряды, возникающие в различных участках тела клетки (зона водителя ритма), которые могут оказывать влияние' на клетку в целом или на какую-то ее часть. В некоторых клетках имеется по нескольку таких водителей ритма с разными временными параметрами. Подобные изменения состояния нейрона могут изменять его реактивность на внешние воздействия и могут даже оказывать влияние на другие нейроны (как электротонически, так и генерируяспай- ковые разряды; см. также гл. 5 и 6 и [369—371, 374]).
Ритмическая активность в нервной системе в большинстве случаев имеет периодичность, измеряемую в секундах или долях секунды, тогда как периодичность изменений поведения животных измеряется в минутах, часах или даже днях. Тем не менее хорошо известны случаи соизмеримых по времени (частоте) ритмов, вероятно спонтанных. Многощетинковый червь Arenicola marina живет в U- образных норках; каждые 6—7 мин у него наблюдается комплекс движений, связанных с питанием, а каждые 20—60 мин — движения, связанные с ирригационно-дефекационным циклом. Эта циклическая активность могла бы возникать в ответ на регулярно повторяющиеся периферические события — пустой зоб, полная прямая кишка, ит. д., но имеющиеся данные не подтверждают такого предположения. Цикл, по-видимому, может начаться в отсутствие внешнего раздражения и биологической необходимости и завершиться, несмотря на то что потребности червя не были удовлетворены. Весьма
вероятно, что у червя имеется двое биологических «часов» — для каждого из двух основных упомянутых ритмов. Для поддержания этих ритмов головной ганглий не обязателен; главную роль играет брюшная нервная цепочка, а спонтанность зависит отчасти от стено'К зоба [2546, 2547).
Измеряется ли периодичность ритма в секундах или в долях секунды, как в случае нервных клеток, в минутах — как у полихет, или же в часах, Днях и месяцах, на первых стадиях анализа во всех случаях возникают одни и те же проблемы. Некоторые наиболее интересные результаты были получены при исследовании ритмов с периодичностью, равной приблизительно 24 ч, лежащих в основе различий между ночной и дневной активностью у большинства животных. Такие ритмы могут продолжаться, не затухая и с весьма незначительными отклонениями от периодичности, в течение многих недель и месяцев, когда животных содержат в лаборатории при постоянных условиях (рис. 113). Например, у помещенной в такие условия канарейки период цикла активности изменяется всего лишь на 0,2—4% [2477]. Такая устойчивость ритма в условиях, когда внешний водитель ритма, задающий параметры цикла, отсутствует, говорит о том, что ритм носит эндогенный характер. Доказать справедливость исходной гипотезы о независимости ритма от внешних факторов, конечно, нелегко [351]. Однако можно устранить влияние всех внешних факторов, находящихся во временной зависимости от цикла вращения Земли, если перевезти животных по широте в другое полушарие; например, перемещение пчел из Парижа в Нью- Йорк при постоянстве прочих условий показало, что суточный ритм поведения при этом не изменяется [1986]. Другие данные, свидетельствующие о независимости ритма от внешних факторов, получены в опытах на группах животных одного вида, у отдельных особей которых наблюдаются индивидуальные, но устойчивые циклы (см., например, [1098]). Однако наиболее убедительным доводом представляется тот факт, что при контролируемых внешних условиях периодичность лишь слегка отклоняется от 24-часовой. Обычно, Как на приведенном на рис. 114 фрагменте записи активности зябликов, содержавшихся при постоянных условиях освещения,такие отклонения малы, но довольно устойчивы. Ясно, что такой «циркадный» ритм не может зависеть от воздействий внешних факторов, повторяющихся точно или в среднем через каждые 24 ч (см. [76, 77, 19321).
Это, конечно, не означает, что внешние факторы не оказывают никакого влияния. У большинства дневных видов такие параметры, как частота ритма, отношение периода активности к покою, а также абсолютная величина активности, при ярком свете больше, чем при слабом. У ночных видов обычно наблюдается обратное: величина активности снижается с усилением освещения [76, 77]. Из этого правила, однако, имеются исключения [1099], хотя Каванау [1308] считает их просто следствием чересчур яркого освещения, используемого во многих экспериментах. Активность хомячков Реготувсиз, содержащихся при слабом свете, возрастает, как только освещение усиливается. Эти результаты станут понятны, если предположить, что ритм зависит от циркадного водителя ритма, «уровень» которого относительно порога активности меняется в зависимости от освещенности (или от разницы между уровнем освещенности и предпочитаемым уровнем) (рис. 115). Поскольку для таких водителей ритма характерна положительная зависимость между уровнем и частотой, все три приведенных выше параметра должны коррелировать друг с другом. Температура также может влиять на циркадные ритмы, хотя обычно ее влияние удивительно мало (см., например, [35Й, 1291]).
В естественных условиях циркадные ритмы точно синхронизированы с 24-часовым циклом через периодически изменяющиеся факторы внешней среды. Такие факторы среды, синхронизирующие циркадные ритмы, принято называть «Хе^еЬеги», что можно перевести как «синхронизатор» или «датчик времени» [75]. Среди них наиболее важное значение имеют изменения освещения и температуры. Если данный ритм активности наблюдается при постоянных внешних условиях, то для его перестройки после запуска датчика времени требуется время (рис. 114) и фазовое отношение изменяется в зависимости от частоты самопроизвольных колебаний [81, 523]. Имеются, конечно, пределы периодичности, которую датчик времени может «навязать» циркадному ритму; например, домовой мыши можно «навязать» циклы продолжительностью от 21 до 27 ч (во всех случаях по лозина времени — темнота, половина — свет), но если циклы чередования «дня» и «ночи» короче или длиннее, то животные возвращаются к приблизительно 24-часовому циклу [2424]. По-видимому, животным можно «навязать» ритмы, еще больше отличающиеся от 24-часового, используя постепенный переход от света к темноте [1304].
Запуск циркадного ритма датчиком времени приводит к постоянному фазовому соотношению между циркадным ритмом организма и периодическими изменениями факторов среды. У дневных видов включение освещения, очевидно, играет более важную роль в изменении ритма, чем его выключение, а у ночных видов — наоборот [523]; при этом начало активности часто оказывается в более строгой зависимости от восхода солнца, чем прекращение активности — от его захода (рис. 116). Ашофф [79] указал, что, рассматривая фазовое соотношение между циклом активности организма и внешним синхронизирующем циклом, желательно сопоставлять середины
Описапие ритма с помощью осциллятора, дважды за цикл проходящего черс! пороговое значение. В. Изменение отношения «/?, представленное в виде изменений положения уровня осциллятора (пупктирная линия) относигельно положения порога. Заштрихованная область — активность [79].
обоих циклов, а не их начала или концы. На рис. 117, В воспроизведены графики двух циклов активности организма. Сдвиг фаз между этими циклами и циклом движения солнца равен в обоих случаях 30°, если сравнивать средние точки периодов, однако при сравнении начала или конца циклов соответственно с восходом или заходом солнца фазовый сдвиг становится непостоянным.
Поскольку частота циркадного ритма обычно повышается с усилением освещенности (см. стр. 342) и поскольку фазовый сдвиг меняется с изменением частоты, следует ожидать, что у дневных животных фазовый сдвиг летом больше, чем зимой; это предположение быдо подтверждено полевыми наблюдениями [79],
Таким образом, многие наблюдения над суточными ритмами активности, особенно у птиц, можно объяснить, предположив наличие у них единого эндогенного водителя ритма, параметры которого задаются внутренним датчиком времени. ,0днако в ряде других случаев такая модель выглядит .упрощенной, и представляется необходимым постулировать две системы, причем одна из них строго
эндогенна, а другая более чувствительна к. внешним воздействиям (см., например, [350, 1932]). Так, если содержать мышь в условиях очень длинного или очень короткого светового периода, то утренний пик активности совпадает с ритмом внешнего датчика времени, тогда как вечерний приблизительно соответствует 24-часовой периодичности. Физиологические исследования, проведенные на человеке, также наводят на мысль о существовании более чем одного механизма.
Об анатомических и физиологических основах циркадных часов известно мало. Харкер [920], например, утверждает, что циркадный ритм активности таракана Репр1апе1а атепсапа контролируется эндогенным нейросекреторным ритмом в подглоточном ганглии, который в свою очередь частично контролируется вторыми биологическими часами, чувствительными к световому воздражению, воспринимаемому глазками. У Робертса [2020, 2021], однако, эта точка зрения вызывает сомнения, а Брэйди лишь отчасти удалось согласовать противоречивые результаты, предположив, что «в мозгу имеется электрический водитель ритма, координирующий довольно- таки эфемерные нейроэндокринные ритмы в ганглиях нервной цепочки».