Анализ воздействия окружающей среды начинается с общеизвестной избирательной чувствительности рецепторов к раздражителям различной модальности. Такой качественный анализ, позволяющий воспринимать раздельно видимое, слышимое, пахнущее и т.п., дополняет количественный анализ, когда интенсивность воздействия кодируется амплитудой рецепторного потенциала, а затем частотой импульсов в афферентном нерве. Однако уже на этом первичном нервном уровне начинаются и процессы синтеза. Одним из них является интеграция сигналов от соседних рецепторов. Это впервые было показано на сложном глазе мечехвоста (Limulus) (Г. Хартлайн, Ф. Ратлифф, 1957). Разряд импульсов от одного омматидия тормозится при освещении другого, находящегося поблизости. Благодаря такому латеральному торможению освещение обоих рецепторов дает меньший эффект, чем каждого в отдельности. Оно выделяет контуры изображения и делает его более контрастным.

В сетчатке позвоночных обнаружены более сложные формы интеграции нейронных реакций, связанные со специфическим пространственным распределением их рецептивных полей. Типичными для такого распределения являются концентрические рецептивные поля (С. Каффлер, 1953). Для них характерны противоположные реакции центра и окружения. При этом выделяются так называемые on-нейроны, которые возбуждаются точечным засветом центра своего рецептивного поля, и off-нейроны, возбуждающиеся при выключении этого засвета; нейроны, которые возбуждаются и в том и в другом случае, обозначаются как on—off-нейроны. Засвет периферии рецептивного поля вызывает противоположные реакции, т.е. on -нейроны затормаживаются, a off -нейроны возбуждаются. Тормозное взаимодействие центра и периферии рецептивного поля осуществляется горизонтальными и амакриновыми клетками. В сигналах от нейронов дискретных концентрических рецептивных полей кодируются локальные перепады освещенности частей воспринимаемого изображения.

На более высоких уровнях обработки сенсорной информации происходит дальнейший синтез афферентных сигналов о признаках объекта. В связи с разной функцией нервных клеток они обнаруживают рецептивные поля разной конфигурации. На рис. 54, А показаны ответы нейрона зрительной коры кошки на точечный засвет в центре рецептивного поля и в зоне его периферии, а также на общее освещение. По наличию реакций в первом и во втором случаях этот нейрон относится к on — off -типу. Отсутствие реакций на общий засвет указывает на уравновешенность возбуждения в on- и торможения в off -нейронах. Примечательно, что рецептивное поле этого нейрона имело характерную вытянутую в виде полосы форму (рис. 54, Б ). Значение такой формы рецептивного поля раскрывается в опытах с изменением наклона световой полоски, что приводит к уменьшению реакции при перекрытии полоской периферической части рецептивного поля.

Рис. 54. Реакции нейронов зрительной коры мозга кошки на световое пятно (А, а, б), диффузное освещение (А, в) и световую полоску (Б) и общая форма вытянутого рецептивного поля (В):

слева от каждой нейрограммы указана форма стимула (кружок, полоска) и его локализация относительно рецептивного поля (крестик), над каждой нейрограммой чертой обозначена длительность стимуляции

Систематические исследования реакций нейронов зрительной коры мозга 17-го, 18-го и 19-го полей на световые стимулы разной формы и интенсивности, неподвижные и движущиеся, выявили важные закономерности формирования некоторых фрагментов нейрофизиологических механизмов зрительного восприятия (Д. Хьюбел, Т. Визел, 1974). Так, некоторые корковые нейроны наиболее активно реагировали на световую полоску, ориентированную вдоль вытянутого центра его рецептивного поля (рис. 54, Б ). Как видно из рис. 54, наклоны полоски приводили к уменьшению ответа вплоть до его полного отсутствия. Такая избирательность коркового нейрона к ориентации линии находит объяснение в том, что на нем конвергируют сигналы от нескольких нейронов предыдущего этажа обработки зрительной информации (латерального коленчатого тела), и их концентрические рецептивные поля расположены в ряд, покрывающий световую полоску. Чем больше наклон полоски, тем меньше число вовлекаемых в реакции концентрических полей, а следовательно, и степень активации коркового нейрона. Если учесть, что в коре имеется множество нейронов с такими свойствами, но избирательно чувствительных к разной ориентации, то синтез их сигналов может дать описание всех видов линейных элементов контура воспринимаемого изображения. Такие нейроны называют простыми.

Другие нейроны зрительной коры имеют более сложную конфигурацию рецептивных полей, особенность которых состоит в отсутствии тормозного взаимодействия между участками поля. Поэтому они реагируют возбуждением на световой стимул, попадающий на разные его участки. Однако эти нейроны также строго избирательны к ориентации перепада освещенности. Вместе с тем их способность реагировать на стимул, последовательно проходящий ряд участков рецептивного поля, позволяет более точно оценивать его движение. При этом многие из них обнаруживают чувствительность лишь к одному направлению движения. Такие нейроны называют сложными.

Третий вид корковых нейронов, принимающих участие в обработке зрительной информации, характерен для рецептивных полей с комплексным возбудительным центром и тормозными зонами, ограничивающими размеры светового стимула, в частности длины его полоски. Эти клетки избирательно реагируют на ориентацию перепадов освещенности, линий и углов (главное, на их угловые размеры), оценивают направление движения стимулов. Такие нейроны называют сверхсложными.

Предполагают, что простые, сложные и сверхсложные клетки представляют три уровня синтеза результатов анализа зрительной информации. Свойства простой корковой клетки определяет конвергенция на ней сигналов от клеток латерального коленчатого тела, свойства сложной клетки — конвергенция на ней от простых клеток. Вопрос о происхождении сверхсложных клеток пока является дискуссионным.

Аналитико-синтетические процессы обеспечивают поэтапную обработку зрительной информации, направленную на восприятие целостного образа объекта. Изучение нейрофизиологических механизмов, осуществляющих эту обработку на разных этапах зрительного пути привело к представлению о четырех основных уровнях формирования целостного зрительного образа (В.Д. Глезер, 1985).

На первом уровне нейроны сетчатки и латерального коленчатого тела оценивают общую освещенность, выделяют сигналы из шума, подчеркивают контуры и дробят сетчаточное изображение на фрагменты.

На втором уровне нейроны 17-го поля коры определяют пространственно-частотные и ориентационные характеристики этих фрагментов. Здесь формируются группы нейронов, настроенные на разные ориентации и частоты, но направленные на один фрагмент. Они определяют его спектральный состав и связь с фрагментами иного спектрального состава.

На третьем уровне нейроны 19-го поля зрительной коры оценивают пространственное распределение возбуждения в нейронах предыдущего уровня и сопоставляют фрагменты изображения на основе их спектрального состава. Здесь также работают модули из нейронов разных свойств, обрабатывающих один участок зрительного поля, в результате чего выделяются отдельные компоненты фигур.

Наконец, четвертый уровень включает в себя обучающиеся нейроны, расположенные в нижневисочной и заднетеменной коре (НВК и ЗТК). Путем синтеза информации, поступающей от нервных механизмов предыдущего уровня, НВК обеспечивает опознание зрительного образа, ЗТК — его конкретизацию в пространстве.

Исследования процессов анализа и синтеза в процессах зрительного восприятия показали их значительную изменчивость в зависимости от многих условий: световой и темновой адаптации, контраста изображения с фоном, интенсивности светового стимула, внимания и т.п. На рис. 55 показаны изменения рецептивного поля коркового нейрона в разных условиях световой стимуляции. Эти и другие факты послужили основанием для гипотезы о том, что свойства нейронов зрительной коры определяются не столько жесткими отношениями конвергенции сигналов с предыдущих уровней, сколько адаптивной динамикой внутрикоркового взаимодействия нейронов, особенно тормозных.

Рис. 55. Изменения размеров рецептивного поля коркового нейрона при разном уровне зрительной адаптации (А), контраста светового стимула с фоном (Б) и энергии вспышки света (В) (по И.А. Шевелеву):

1, 2, 3 — реакция на вспышку (1 — 70 лк на фоне 0,1 лк, 2 — 0,7 лк на фоне 0,1 лк, 3 — 70 лк на фоне 10 лк), 4, 5 — реакция на световой квадрат поля (4 — 1 град², 35 лк, 5 — 0,5 град², 70 лк)

Изучения межнейронных отношений привели к заключению, что гибкая приспособительная изменчивость интегративных механизмов, в частности обработки зрительной информации, имеет в своей основе не жестко фиксированные связи между нейронами, а их вероятностное участие в формировании пространственно-временных мозаик возбуждающихся и тормозящихся нейронов. Мощное влияние на организацию аналитико-синтетической деятельности зрительной системы оказывают экологические различия образа жизни. Так, в зрительной коре у кошки преобладает ориентационная избирательность, у приматов — цветоразличение и стереоскопическое зрение, у белки — избирательность к быстрым движениям.

Многие принципы и способы организации нейрофизиологических механизмов аналитико-синтетических процессов зрительного восприятия оказываются общими и проявляются в деятельности всех сенсорных систем. Это относится прежде всего к механизмам оценки биологического значения действующих раздражителей. Такая оценка происходит на сравнительно высоком уровне интеграции поступившей сенсорной информации, ее сигнальной роли и текущего состояния организма. При этом мономодальные образы синтезируются в полимодальные и с учетом состояния организма, его потребностей и жизненного опыта формируется динамичный целостный образ воспринимаемого явления. В зависимости от того, является ли этот образ показателем благоприятных или опасных событий, возникает и соответствующая эмоциональная окраска восприятия.

Сложными процессами аналитико-синтетической деятельности мозга обусловлено возникновение новых видов приспособительного поведения животных. При этом формируются нервные механизмы объединения афферентных и эффекторных структур в целостную организацию достижения полезного результата, как это представлено в учении о функциональной системе (П.К. Анохин, 1968). Систематические исследования нейрофизиологического механизма формирования функциональной системы при осуществлении акта приспособительного поведения выявили определенную связь динамики вызванных потенциалов и нейронной активности с деятельностью ее основных блоков (афферентный синтез, принятие решения, программа действия, акцептор результатов действия).

На рис. 56 схематически представлена динамика этих показателей нервных процессов на микро- и макроуровне при организации двигательной реакции. Сигнальное раздражение через 80 мс вызывало движение (миограмма). Во время первичного ответа ВП информация от акцептора результатов действия предыдущей двигательной реакции активирует нейроны, участвовавшие в этой реакции, и влияет на начало организации афферентного синтеза. Негативной волне первичного ответа соответствуют завершение синтеза афферентных сигналов и этап принятия решения, когда активны нейроны, участвовавшие в достижении нужного результата в любых обстоятельствах. Окончание негативной волны ВП предшествует началу ответного движения и соответствует этапам формирования программы действия и акцептора результатов предстоящего действия, где участвуют нейроны, активность которых ранее приводила к нужному результату.

Рис. 56. Соотношение электрических показателей деятельности мозга с узловыми механизмами функциональной системы элементарного поведенческого акта (по В.Б. Швыркову):

1 — вызванный потенциал, 2 — электромиограмма ответного движения, 3, 4, 5 — нейроны, участвующие в формировании разных звеньев функциональной системы, 6 — схема узловых механизмов функциональной системы и их взаимосвязей, АРД — акцептор результатов действия, С — сличение параметров результата (ПР) предыдущего поведения (Р_с) , Д — действие, АС — афферентный синтез, Р — принятие решения, ПД — программа действия, «С — Р» — интервал «стимул — реакция»; стрелкой и вертикальной линией обозначен момент подачи сигнала

Нейрофизиологические механизмы феномена переключения условных рефлексов исследовали на системном и нейронном уровнях. Одновременная регистрация электрической активности гиппокампа, миндалины и коры, электрокардиограммы и дыхания у собак при переключении звукового условного раздражителя (был сигналом пищевой реакции, стал сигналом оборонительной) выявила, что эмоциональное напряжение сопровождается выраженным тета-ритмом гиппокампа, одышкой и учащением сердечных сокращений. Существуют и другие указания на важную роль гиппокампа в изменениях эмоционального напряжения. Переключение звукового условного раздражителя с пищевого на оборонительный рефлекс у кроликов вызывало перестройки импульсных ответов нейронов гиппокампа, зрительной и ассоциативной коры. При этом изменялись не только частота и другие характеристики ответного разряда, но и импульсация нейрона в межимпульсные периоды, свидетельствуя об изменении центрального тонуса.

Формирование нейрофизиологических механизмов аналитико-синтетической деятельности мозга связано с взаимодействием его афферентных систем различной модальности, в основе которого лежит сложная организация пространственно-временной синхронизации ритмической активности участвующих в деятельности структур.

На основании обширного материала проведенных экспериментов выделены основные принципы организации интегративной деятельности мозга, осуществляемой на базе анализа и синтеза. Это прежде всего упорядоченность его функциональной организации, понимаемая как диалектическое сочетание «жесткого каркаса» и динамичных «кружевных переплетений». Другой принцип — мультифункциональность — проявляется в многочисленных примерах участия структур мозга, в частности ассоциативных отделов коры гиппокампа, таламуса и других, в осуществлении разных функций. Принцип иерархической организации обеспечивает оптимальный порядок использования поступающей информации (которая передается на последующие уровни в обобщенном виде) и рациональное управление (когда на высоком уровне задается цель, достигающаяся рядом действий, которые организуются на низших уровнях центральной нервной системы). Вместе с тем, еще остается немало нерешенных вопросов о нейрофизиологических механизмах аналитико-синтетической деятельности мозга.

Глава 8