Инструментальная условная оборонительная реакция у высших беспозвоночных и низших позвоночных. Сравнительно-физиологическое изучение условных рефлексов. Методологические особенности изучения условных реакций у высших беспозвоночных и низших позвоночных. Условный рефлекс и родственные ему явления. Фармакологический анализ механизмов приспособительного поведения.
Инструментальный условный оборонительный рефлекс у нереид. Проблема выбора условного и безусловного раздражителей при изучении оборонительных рефлексов у полихет. Поведенческий репертуар нереисов. Изменение реакций на вибрацию после воздействия биологически значимых раздражителей. Бифункциональное значение положительной реакции. Сопоставление классического, инструментального и псевдоусловного оборонительных рефлексов.
исторический подход n n В отечественной физиологии плодотворно используется исторический подход, который утверждает, что исследование любой функции наиболее успешно осуществляется с учетом истории ее становления в эволюции (И. П. Павлов, Л. А. Орбели, А. Н. Северцов, Л. Г. Воронин). На каком этапе филогенеза возник условный рефлекс? И. П. Павлов: "Индивидуальное приспособление существует на всем протяжении животного мира. Это и есть условный рефлекс, условная реакция, осуществляющаяся на принципе одновременности". С этой точки зрения любая приобретенная реакция должна считаться условным рефлексом. Более распространена противоположная точка зрения: возможность выработки условных рефлексов у простейших отрицается (Асратян, 1963; Воронин, 1969; Серавин, 1969; Тушмалова, 1986).
У животных на ранних стадиях эволюции не вырабатывается УР или не найдена адекватная методика? n n n На примере простейших: Интерпретация их поведения - далеко не такая простая, как это может показаться на первый взгляд. Оно больше, чем поведение высших животных, зависит от физических и биохимических «мелочей» , которые нужно учитывать. Пример: инфузория в узком капилляре, дойдя до закрытого конца, поворачивается, затрачивая в первой попытке большое время. При повторных попытках это время уменьшается в 180 раз. Инфузория обучилась (как собака в подобных условиях)? Нет, убыстрение поворотов инфузории объяснили за счёт накопления в её протоплазме кислых веществ (вследствие работы и нахождения в небольшом объёме воды), которые разжижают протоплазму, облегчая повороты животного.
Не вырабатывается УР или не найдена адекватная методика? n n n n n На примере простейших: Интерпретация их поведения - далеко не такая простая, как это может показаться на первый взгляд. Оно больше, чем поведение высших животных, зависит от физических и биохимических «мелочей» , которые нужно учитывать. Пример: инфузория в узком капилляре, дойдя до закрытого конца капилляра, поворачивается, затрачивая в первой попытке большое время. При повторных попытках это время уменьшается. В конце концов, и. м. убыстрение поворота в 180 раз. Инфузория обучилась (как собака в подобных условиях)? Нет, убыстрение поворотов инфузории объяснили за счёт накопления в её протоплазме кислых веществ (вследствие работы и нахождения в небольшом объёме воды), которые разжижают протоплазму, облегчая повороты животного. Другой пример: выработка избегания освещённой половины камеры: заплывание - удар электрическим током. Со временем инфузория поворачивает от границы освещения, избегая удара током. Реакции избегания на освещение? Нет, на границе темнота-свет: Ток активирует стрекательные клетки (сигнал опасности) Натыкаясь на них, инфузория поворачивает прочь
Итак, не вырабатывается УР или не найдена адекватная методика? n n Об инфузориях не знаю, а с беспозвоночными – уверен, что дело именно в неадекватной методике Филогенетически позднейший этап, относительно которого вопрос о возможности выработки УР в эволюции еще вызывает споры, составляют полихеты. Воронин и др. (1972): классический УР, Evans (1966): неассоциативный процесс. n Полихетами (нереисами) и займёмся
Приживаются в стеклянных трубочках
Неадекватность методики Первые условные оборонительные реакции у нереисов - по классической методике n – не учтена специфика ИУОР. n Условный раздражитель - вибрация, безусловный раздражитель -электрический ток, n реакция - сокращение тела n Проблема: и УС, и БС вызывают сокращение тела, т. е. , р-ция – и без выработки n
n. Причина? n. Сокращение тела является оборонительным ответом (филогенетически древняя реакция). n. Вибрация (колебание воды) в естественной среде обитания полихет может произойти в результате приближения хищника (без выработки). n. Следствие? n. Невозможно оценить результат сочетания УС и БС как сформированный УР. n. Попытка обойти эту трудность: nперед выработкой УР предварительно угашают реакцию на ВР. n. Однако, это не снимает проблему - сокращение тела в ответ на ВР после выработки можно объяснить не только формированием УР, но и сенситизирующим эффектом электрического тока (Evans, 1966).
Причина? Сокращение тела является оборонительным ответом (филогенетически древняя реакция). Вибрация (колебание воды) в естественной среде обитания полихет может произойти в результате приближения хищника. Следствие? Невозможно оценить результат сочетания УС и БС как сформированный УР. Попытка обойти эту трудность: перед выработкой УР предварительно угашают реакцию на ВР. Однако, это не снимает проблему - сокращение тела в ответ на ВР после выработки можно объяснить не только формированием УР, но и сенситизирующим эффектом электрического тока (Evans, 1966). (Evans, Выход из положения? n. Анализ поведенческого репертуара нереисов с целью понимания природы раздражителей, реакций на них и выбора реакции.
- + Рис. 27. Реакции нереисов на вибрационный раздражитель различной частоты. По ординате — величина реакции (в % от общего числа реакций); по абсциссе — частота (имп/с). Сплошная линия — отрицательные реакции отдергивания головного и/или хвостового концов; пунктирная — положительные реакции (движение вперед головным концом или всем телом)
Разнообразие реакций n n В ответ на индифферентный вибрационный раздражитель у нереисов появляются разнообразные реакции, а не только сокращение, свойственное дополихетному уровню. Эти реакции обладают различными частотноамплитудными характеристиками. На более низких частотах преобладают положительные реакции, а на более высоких — отрицательные Замирание (прекращение ундуляции)
Какую частоту выбрать для следующих опытов? + 2. Выработка избегания в виде положительной реакции (движение вперёд) n 2. Проводить опыты в наиболее трудных условиях для достижения цели ( «против течения» ). n Это 40 имп/с
Какую частоту выбрать для следующих опытов? 1. Анализ влияния тока и пищи на реакции, вызываемые вибрацией n Создать одинаковые условия для изучения независимых переменных (тока и пищи) n Это – 20 имп/с
Анализ влияния тока и пищи на реакции, вызываемые вибрацией n n n Методика Равные условия: 20 имп/с (п=5) «Против течения» : а) если преобладают + р-ции, даём ток, б) если отрицательные р-ции, даём пищу (препаровальная игла) Результаты:
Перераспределение реакций на вибрационный раздражитель после одноразового действия электрического тока (А) и пищи (Б). Светлые столбики — фон; заштрихованные — после действия безусловных раздражителей. Левые столбики в каждой паре — отрицательные реакции, правые — положительные, в % от числа предъявлений. + + ток пища
ВЫВОД n n n Биологически значимые раздражители изменяют реакции на индифферентный раздражитель (пластичность поведения). После действия электрического тока возросло число отрицательных реакций, свойственных аверсивным ситуациям, и уменьшилось число положительных, рассматриваемых как пищедобывательные. В целом произошла инверсия: отрицательных реакций стало больше, чем положительных. После кормления наблюдалось обратное — число положительных реакций возросло, а отрицательных — уменьшилось. Т. е. , действие тока приводит к преобладанию отрицательных, а пищи — положительных реакций (черви воспринимают …).
Выработка РИ Для доказательства возможности выработки РИ сравнивались: n классический УР n ИУОР (РИ)в виде n а) положительной реакции n б) отрицательной реакции n псевдообусловливание n 20 предъявлений n 20 имп/с n
Какую частоту выбрать для следующих опытов? Выработка избегания в виде положительной реакции (движение вперёд) n 2. Проводить опыты в наиболее трудных условиях для достижения цели ( «против течения» ). n Это 40 имп/с, + А использованы 20 имп/с Компромисс (пилотное исследование) – риск не переделать врождённую отрицательную реакцию, наиболее выраженную на 40 имп/с Выполняется только 1 -е условие – одинаковые частоты для + и – р-ций
Псевдообусловливание-выработка псевдоусловного рефлекса n n n Методика При псевдообусловливании ток включался независимо от реакции животного. Параллельный эксперимент: 2 червя в одной кювете. У одного вырабатывали инструментальный условный рефлекс, у другого — псевдообусловливание. Уравнивались все условия, кроме отношения между реакцией и током. Если “инструментальный” червь за 5 с действия вибрационного раздражителя не совершал реакцию избегания, то получал удар током; при этом ток в данном предъявлении получал и второй червь, если даже он и совершал данную реакцию; если “инструментальный” нереис совершал реакцию, то не получал удар током; при этом второй червь тоже не получал ток, если даже и не реагировал должным образом.
РИ в виде движения вперёд n n n Методика Использовали специальный приемом. После того, как обычным образом нереис отдергивал головной конец в ответ на ток, немедленно давался повторный удар током — до тех пор, пока червь не совершал, после сокращения, положительной реакции (движение вперёд), что сопровождалось длительным периодом без удара током. То есть, положительная реакция прекращала серию воздействий тока, что отвечает сути инструментальной реакции
сопоставление Заштрихованы подкрепляемые реакции (РИ). - Левые столбики в каждой паре отрицательные реакции, правые — положительные. Пк + УР инструментальный УР кл псевдо. УР
интересно n Подкрепление усиливает положительную реакцию, которая не вызывается током n Следовательно, она не есть результат сенситизации током Интересное поведение. Нереисы: n двигались вперед, захватывали глоткой камушки, приближались к краю трубки и оставляли их у края, как бы закупоривая ее, n камушки до конца трубки перемещали головным концом. n Атака на агрессора n
Сопоставление в длительном опыте - подкрепление отрицательной реакции + + +, - псевдо. УР УР кл
выводы n n n Как отрицательная, так и положительная реакция усиливаются инструментальным подкреплением, превышая величину неподкрепляемой реакции: при выработке избегания, величины реакции при классическом оборонительном рефлексе и псевдообусловливании. Т. е. , инструментальное избегание аверсивного раздражителя может быть достигнуто на основе как отрицательной, так и положительной реакций. индивидуально приобретенные реакции – УР
Инструментальный условный оборонительный рефлекс у рыб. n Классические условные оборонительные рефлексы на основе электрического тока. Инструментальные условные оборонительные рефлексы на основе понижения уровня воды. Формирование реакции избегания у рыб с помощью выталкивания из воды. Выработка чередующейся реакции избегания. Пространственная переделка реакции избегания.
Юрий Павлович Фролов
Двигательные оборонительные УР. Условный раздражитель - свет либо звук. n Безусловный раздражитель - электрический ток, подаваемый на электроды ( на дне, спинной плавник). n Безусловный рефлекс – энергичные нырятельные движения. n Регистрация: нить от спинного плавника к капсуле Морея (кимограф). n Методика не могла обеспечить выработку стабильных условных рефлексов. n Булл (Bull, 1928) усовершенствовал методику: оба электрода - на стенках аквариума. n УР - классический
(Цуге, 1957). Аквариум был разделен на две половины перегородкой с дверцей. В обеих половинах у стенок были расположены по два электрода. Спустя пять секунд после включения условного раздражителя на электроды подавался ток, действие которого продолжалось до тех пор, пока рыба не уплывала в противоположную половину аквариума. Недостатки: 1. избавление, а не РИ. 2. Бурная двигательная реакция, не поддающаяся контролю со стороны экспериментатора (трудность для выработки локальной и четко ограниченной реакции)
К а р а м я н А р т а ш е с И в а н о в и ч Электрический ток не является экологически адекватным, вызывает нежелательные физиологические последствия, не обеспечивает выработку стабильных условных рефлексов. Вывод (Карамян, 1953): выработка оборонительных условных рефлексов у рыб невозможна (из-за несовершенства их нервной системы
РИ у рыб на основе их обсушки Понижение уровня воды РИ - экологически адекватное аверсивное воздействие для рыб. n Две методики, в которых используется этот принцип: n 1. Обсушка рыб с помощью понижения уровня воды в аквариуме. n 2. Обсушка с помощью выталкивания рыб из аквариума вращающейся лопастью. n
Экспериментальное устройство для выработки реакции избегания у рыб. А — схема установки: 1 — мотор; 2 — уровень воды; 3 — лопасть; 4 — дно аквариума. Б — вид лопасти сбоку (слева) и спереди (справа): 1 — коридор (один открыт, другой закрыт); 2 — туннель; 3 — рамка; 4 — перегородка. А Б
Aphyocharax erithrurus, река Апуре (Венесуэла)
ПП ЧУР
ПП Почему ПОСЛЕ ПЕРВОЙ И ВТОРОЙ ПЕРЕДЕЛОК величины РИ ОТЛИЧАЮТСЯ ?
Резюме n n Воспроизведение РИ после пространственной переделки начиналось с уровня ниже 50% следствие угнетающего влияния предварительного обучения проходить через противоположный коридор (проактивное угнетение). Проактивное угнетение не отмечается со стороны выработки чередующейся РИ. Наоборот предварительное формирование следа памяти о проходе через левый и правый коридоры способствует последующей выработке одиночной РИ. Т. е. , у этих рыб на 1 -м этапе были выработаны 2 временные связи, хотя и не произошло их синтеза в систему, позволяющую осуществлять чередующуюся РИ.
Резюме (продолжение) n n n n У рыб затруднена пространственная переделка РИ и выработка ЧУР. Общая особенность: торможение одной реакции со стороны другой. При пространственной переделке тормозится формирование вновь вырабатываемой РИ, а при выработке чередования торможение делает невозможным синтез двух временных связей в единую систему. ЦНС рыб не успевает перестраивать свои реакции в соответствии с изменяющимися условиями среды. Ю. П. Фролов (1938), Л. Г. Воронин (1957): Инертность ВНД и слабое развитием у рыб подвижности нервных процессов.
Фармакологический анализ механизмов приспособительного поведения высших беспозвоночных и низших позвоночных. n Сравнительно-физиологический подход к фармакологическому изучению ВНД. Влияние фармакологических веществ на реакцию избегания у рыб. Влияние фармакологических веществ на неассоциативное обучение. Влияние фармакологических веществ на поведение при экстремальных воздействиях.
Большинство психофармакологических исследований ведется на млекопитающих (в основном на мышах и крысах). В то же время в отечественной физиологии и патофизиологии издавна используется исторический подход: исследование любой функции наиболее успешно осуществляется с учетом истории ее становления в эволюции (Мечников, 1917; Орбели, 1922; Коштоянц, 1934; Воронин, 1957; Тушмалова, 1980). История в Смоленске Обоснование возможности…?
Общебиологическая основа функциональных нарушений поведения. n n n Учение К. Бернара и В. Кеннона о постоянстве внутренней среды и гомеостазисе: Отклонение существенных для жизнедеятельности показателей (температуры тела, p. H крови и т. д. ) за определённые пределы причина различных защитных реакций организма, направленных на устранение последствий возмущающего воздействия. Это является древней универсальной закономерностью, лежащей в основе регуляции физиологических процессов у всех животных. И не только у них. Принцип Ле Шателье: возмущающее воздействие на физико-химическую систему приводит к возникновению процесса, уменьшающего последствия данного воздействия. Все процессы управления в техн. системах основаны на использовании рассогласования и обратной связи.
Сравнительно-физиологический подход к фармакологическому изучению ВНД. n n n Итак, в эволюции сформировались пределы жизненных показателей, выход за которые запускает защитные механизмы организма. Следовательно, механизм нарушений ВНД и ее защиты сложился в эволюции. Исследование этого механизма наиболее перспективно с помощью методов сравнительной физиологии и патофизиологии. Это означает, что нарушение и психофармакологическую коррекцию ВНД следует изучать на животных различных уровней филогенеза. Сравнительно-физиологический подход к изучению нарушения и психофармакологической коррекции ВНД в перспективе поставит вопрос о создании эволюционной психофармакологии как части эволюционной фарм. Необходимость эволюционной фармакологии постулировал Н. П. Кравков (1930).
Николай Павлович Кравков (24 февраля (8 марта) 1865 года, Рязань, — 24 апреля 1924 года, Ленинград) — русский фармаколог, основоположник советской фармакологии, членкорреспондент Российской академии наук (1920), академик Военно-медицинской академии (1914). ученики — академики С. В. Аничков, В. В. Закусов и др.
Логическая цепочка (к эволюционной психофармакологии) Физиология – физиология ВНД – сравнительная физиология ВНД – эволюционная физиология n Фармакология - Фармакология ВНД (психофармакология) – сравнительная психофармакология – эволюционная психофармакология n
Сравнительно-физиологический подход к фармакологическому изучению поведения. Анализ влияния нейротропных веществ на: n насекомых (ручейников и тараканов), n рыб, n грызунов n
Влияние пептида дельта-сна (9 АК, а/с, а/о) на РИ у рыб
Положительное влияние эталонного ноотропного препарата пирацетама на формирование реакции избегания у золотых рыбок (Bryant, Petty, Byrne, 1973). Нейропептид АКТГ 4 -7 Про-Гли-Про улучшает выработку условной реакции избегания у молоди атлантического лосося (Витвицкая, Бикбулатова, Никоноров, Кругликов, 1987).
Неассоциативное обучение привыкание n n n Психофармакологические исследования на млекопитающих осуществляются в основном с помощью условнорефлекторной модели. Однако выбор моделей для сравнительных психофармакологических исследований не может ограничиться только УР. Приспособительные реакции выражаются и в элементарных явлениях, таких как привыкание, нестойкая условная связь и др. (Воронин, 1977).
Привыкание – универсальная реакция n n n n Элементарные формы индивидуально-приспособительных реакций носят универсальный характер и проходят через всю эволюцию вплоть до человека. Л. А. Орбели (1961): процесс эволюции идет путем не уничтожения старых функциональных отношений, а заслонения их новыми. Привыкание свойственно: одноклеточным организмам (Тушмалова, 1968), одному нейрону (Соколов, 1969), поведению человека в целом (Сеченов, 1861). Смысл привыкания состоит в приобретении способности не реагировать на биологически незначимые раздражители негативное научение (Thorpe, 1964). Привыкание – базовая модель для изучения влияния ноотропов на обучение и память грызунов
Влияние пирацетама на привыкание у рыб Carassius auratum
Действие пирацетама на поведение золотых рыбок в открытом поле Скорость - контроль Частота поворотов - пирацетам Изменения скорости и относительной частоты поворотов наиболее удовлетворительно описываются уравнениями нелинейной регрессии вида Y=a. Xb. Различие между коэффициентами регрессии, отражающее различие в темпах снижения скорости рыб в контроле и опыте, статистически значимо (в контроле b = – 0. 12 ± 0. 02, в опыте b = – 0. 27 ± 0. 02, p < 0. 001). Начиная с 3 го периода, скорости в опыте и контроле различались (p < 0. 05). Различие между коэффициентами регрессии, отражающими темпы увеличения частоты поворотов в опыте и контроле, также значимо (в контроле b = 0. 27 ± 0. 07, в опыте b = 0. 49 ± 0. 10, p < 0. 01). По: Иноземцев, Непомнящих, Гремячих (2005)
Влияние пирацетама на привыкание у насекомых n Личинки ручейника Chaetopteryx villosa Fabr. (Limnephilidae: Trichoptera) n Тропический пепельно-серый таракан Nauphoeta cinerea. Oliv (Blattoptera. : Blaberidae : Oxyhaloinae )
Chaetopteryx villosa Fabr. (Limnephilidae: Trichoptera)
Тропический пепельно серый таракан Nauphoeta cinerea Oliv. (Blattoptera: Blaberidae: Oxyhaloinae)
Время, мин свет Динамика двигательной активности тараканов в кристаллизаторе. По оси абсцисс — время опыта (мин), по оси ординат — число пройденных частей По: Иноземцев, Целкова, Бернуй, Жужиков, Тушмалова (1998)
Почему двигательная реакция резко повышается в начале опыта и при включении света? О чём это говорит?
Влияние пирацетама на привыкание ручейников к вибрационному раздражителю. По оси абсцисс – номер предъявления раздражителя, по оси ординат – продолжительность оборонительной реакции (втягивания и замирания в домике), сек. Под влиянием пирацетама привыкание происходило быстрее (F = 68, 47 при Fcrit =5, 12, р=0, 00002). По: Иноземцев, Непомнящих (2007)
Влияние фармакологических веществ на поведение при экстремальных воздействиях.
Повреждение домика вызывало двухфазный ответ: сначала развивалась пассивная оборонительная реакция в виде замирания, затем — беспорядочная двигательная активность. Пирацетам не влиял на первую фазу, но уменьшал хаотическую двигательную активность во второй из них.
Пирацетам: сокращает период беспорядочного передвижения до начала строительства, уменьшает частоту смены мест отбора частиц, увеличивает тщательность тестирования строительного материала. Следствие: ускорение восстановления домика. Вывод: пирацетам положительно влияет на поведение ручейников в экстремальных условиях, связанных с разрушением домика.
Принципиальный факт n n Пирацетам уже на достаточно раннем этапе филогенеза — у личинок ручейника — оптимизирует все показатели, характеризующие восстановление домика, необходимого для их жизнедеятельности, то есть влияет на осуществление сложно организованной инстинктивной деятельности. Это расширяет возможности использования фармакологических веществ для сравнительнофизиологических исследований нарушения и коррекции высшей нервной деятельности.
Влияние пирацетама на привыкание ручейников к вибрационному раздражителю. По оси абсцисс – номер предъявления раздражителя, по оси ординат – продолжительность оборонительной реакции (втягивания и замирания в домике), сек. Под влиянием пирацетама привыкание происходило быстрее (F = 68, 47 при Fcrit =5, 12, р=0, 00002). По: Иноземцев, Непомнящих (2007)
Время, мин свет Динамика двигательной активности тараканов в кристаллизаторе. По оси абсцисс — время опыта (мин), по оси ординат — число пройденных частей По: Иноземцев, Целкова, Бернуй, Жужиков, Тушмалова (1998)
Благодарим за внимание
Скачать презентацию Инструментальная условная оборонительная реакция у высших беспозвоночных и
ИУОР у высших беспозвоночных и низших позвоночных_st.ppt