Успехи физиологических наук, 2019, T. 50, № 4, стр. 26-39

КЛАССИФИКАЦИЯ КРЫС НА ГРУППЫ ПО СТЕПЕНИ ИМПУЛЬСИВНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДИКИ DELAY DISCOUNTING

Период обучения крыс приоритетному выбору пищевого подкрепления разной ценности занимала 1–1.5 мес. В результате обучения были выделены три группы крыс, достоверно (p < 0.01) различающихся по проявлению задержанных реакций (рис. 1). Высоко импульсивные животные, ВИ (n = 16) в процессе выбора между слабым немедленным и сильным задержанным подкреплением предпочитали выбирать первую комбинацию в большинстве процентов случаев. Низко импульсивные животные, НИ (n = 19) предпочитали выбор второй комбинации в большинстве процентов случаев. Амбивалентные животные, АМБ со смешанным типом реакций (n = 15) чередовали выбор той и другой комбинации примерно в 50% случаев.

Рис. 1.

Проявление задержанных реакций у высоко-, низко импульсивных и амбивалентных животных; по вертикали – число задержанных реакций (%); черным – обозначены высоко-, серым – низко импульсивные, штриховкой – амбивалентные крысы; ** – p <0.01.

После получения данных о разделении крыс на три группы мы исследовали обучение и память у этих крыс в процессе выработки пищедобывательного навыка в 8-канальном радиальном лабиринте и в ходе поиска безопасной платформы в водном лабиринте Морриса.

Для лучшего представления о проведенных опытах в 8-ми канальном радиальном лабиринте следует описать некоторые подробности примененных устройств и протоколы экспериментов. Лабиринт состоял из центральной платформы (размеры D 32 см) и 8 отходящих от нее в виде лучей рукавов (длина 45 см, ширина 10 см) со слегка приподнятыми бортиками (высота 7 см). В дистальных частях лабиринта располагались кормушки, в которых помещали пищевое подкрепление (пищевая гранула 45 мг производства фирмы “Bio-Serve”, dustlessprecisionpellets, USA). Лабиринт был приподнят от пола на 50 см. В 4 рукава лабиринта вкладывали специальные “сигнальные” вставки (полоски из пенополиуретанового коврика, линолеума, обивочной ткани и полихлорвиниловой пленки), местоположение которых меняли от пробы к пробе, но всегда в тех рукавах, где располагались эти вставки, находилось подкрепление. В 4-х других рукавах (без вставок) подкрепление не предъявлялось. Вначале основных экспериментов мы проводили предварительное обучение. В первый день каждую крысу на 5 мин помещали на центральную платформу для знакомства и обследования лабиринта. Пищевые гранулы были равномерно разбросаны по всему лабиринту. На второй день эту процедуру повторяли, но в этот раз пищевые гранулы находились только в дистальных отделах рукавов. На 3-й день крысы обследовали как лабиринт, так и пищевое подкрепление индивидуально, пищевые гранулы (4 шт.) находились только в кормушках. За время предварительного обучения все крысы привыкали к лабиринту, спокойно обследовали его, находили пищевое подкрепление и поедали его.

После предварительного обучения начинали оригинальное обучение. Крысы должны были научиться находить подкрепляемые рукава (с сигнальными вставками), входить в них, забирать из кормушек пищевые гранулы и поедать их. С другой стороны, они должны были также обучаться не входить в неподкрепляемые рукава (без вставок). После того, как крысы обходили все 4 подкрепляемые рукава, доставали пищу и поедали ее, пробу прекращали. Максимальное время каждой пробы составляло 5 минут. Подкрепляемые рукава выбирались таким образом, чтобы максимально друг к другу могли примыкать только два рукава. В день применяли одну пробу, опыты продолжали в течение 21 дня, без перерывов, в одно и то же время дня. Крыс разных групп брали в опыт в случайном порядке. Оценивали время, за которое животные обходили все подкрепляемые рукава, ошибки краткосрочной (рабочей) и долгосрочной памяти. За ошибки краткосрочной памяти принимали повторные заходы в подкрепляемые рукава, а за ошибки долгосрочной памяти – заходы в неподкрепляемые рукава. В последнем случае, поскольку эти рукава никогда не подкреплялись, животные должны были обучаться не заходить в них, и помнить, что подкрепление там никогда не предъявлялось. Поскольку заходы в эти рукава могут повторяться через каждые 24 ч, они рассматриваются, как ошибки долгосрочной памяти. Повторные заходы в подкрепляемые рукава оценивали только в пределах 5 минут (время пробы) и рассматривали как ошибки краткосрочной памяти.

Таким образом, мы могли изучить с использованием методики 8-ми канального лабиринта, как происходит обучение и формируется память у крыс с разным уровнем импульсивности. Следует заметить, что по описанной процедуре мы исследовали процессы обучения и память на определенные сигнальные раздражители. Если в первой пробе обход четырех подкрепляемых рукавов лабиринта составлял от 190 до 240 c, то, по мере обучения, это время сокращалось до 60 с. Также уменьшалось время поиска и нахождения подкрепления в лабиринте, о чем свидетельствует высоко достоверный эффект ПРОБЫ (F_20; 40 = 25.12, p < 0.001). Животные разных групп суммарно (за весь процесс обучения) затрачивали на это разное время (F_2; 40 = 21.8; p < 0.001). Высоко импульсивные животные значительно быстрее, чем низко импульсивные и амбивалентные крысы, обходили все подкрепляемые рукава лабиринта, скорость обучения у них существенно не отличалась от скорости обучения других групп. Суммарное число ошибок за время обучения, совершенных крысами разных групп, судя по эффекту ГРУППЫ (F_2; 934 = 4.4; p < 0.01), было неодинаковым. Крысы высоко импульсивной группы совершали достоверно меньше ошибок, чем крысы низко импульсивной (p < 0.05) и амбивалентной (p < 0.01) групп (рис. 2). Краткосрочная память проявилась лучше у импульсивных животных, хотя скорость обучения была примерно одинаковой у всех групп животных.

Рис. 2.

Усредненное число ошибок рабочей памяти (для всех проб) для крыс разных групп в 8 канальном радиальном лабиринте. Остальные обозначения, как в рис. 1. * – p <0.05.

После оригинального обучения проводили реверсивное обучение. После перерыва в 2 месяца у крыс восстанавливали первичный навык, не доводя его, однако, до максимума оригинального обучения. Это делалось специально для того, чтобы не вызвать сильную фрустрацию у крыс при смене подкрепляемых на неподкрепляемые рукава, и наоборот. Все условия опыта оставались теми же, что и при оригинальном обучении, с той лишь разницей, подкрепляемыми (с сигнальными вставками) рукава лабиринта становились теперь неподкрепляемыми, и, наоборот, ранее неподкрепляемые рукава (без вставок) становились подкрепляемыми. Реверсивное обучение продолжали 6–7 дней. Через 7 дней после начала реверсивного обучения был достигнут достоверно значимый эффект ПРОБЫ (F_5; 154 = 3.6; p < 0.01), свидетельствующий о том, что все группы крыс хорошо обучались находить подкрепляемые рукава лабиринта (теперь без сигнальных вставок) по показателю затрачиваемого для этого времени, которое прогрессивно уменьшалось от пробы к пробе. Как и при оригинальном обучении, суммарно затрачиваемое время на обход всех подкрепляемых рукавов лабиринта было разным у разных групп (F_2; 154 = 3.74; p < 0.05). Меньше всего времени для этого требовалось высоко импульсивным крысам, которые достоверно отличались по этому показателю от других групп (ВИ vs НИ, p < 0.05; ВИ vs АМБ, p < 0.05) (рис. 3а). Градиент снижения затратного времени или скорость обучения при этом у всех групп животных была примерно одинаковой (F_10; 154 = 0.28; p = 0.98). Ошибки рабочей памяти при переходе к реверсивному обучению также резко возросли, до 4.5 за пробу. Также замедленным, был общий градиент снижения числа ошибок, т.е. обучение проходило медленно (F_5; 277 = 2.52; p < 0.05). Общий эффект ГРУППЫ (F_2; 277 = 3.985; p < 0.05) выявил достоверные различия между группами. Posthoc-анализ подтвердил различия между ВИ и АМБ (p < 0.05), между ВИ и НИ (p < 0.05) группами крыс. Градиенты снижения числа ошибок у животных разных групп по мере обучения не различались между собой, о чем свидетельствуют эффекты взаимодействия ПРОБЫ и ГРУППЫ (F_{10; 277} = 1.04; p = 0.4) (рис. 3б).

Рис. 3.

Динамика реверсивного обучения (а) крыс разных групп в 8-канальном радиальном лабиринте по времени обхода 4-х подкрепляемых рукавов (данные взаимодействия эффектов ГРУППЫ и ПРОБЫ) и усредненное за пробу обобщенное время (б) по всем пробам (эффект ГРУППЫ). Пунктиром на (а) представлены данные для амбивалентных крыс. Остальные обозначения как в рис. 1. * – p < 0.05.

Итак, в ходе реверсивного обучения, при смене подкрепляемых рукавов на неподкрепляемые, и наоборот, высоко импульсивные животные затрачивали меньше времени на обход всех подкрепляемых рукавов лабиринта, по сравнению с крысами других групп. У них было меньше ошибок краткосрочной рабочей памяти, но скорость обучения не отличалась от таковой у других групп животных.

Следует напомнить, что мы имели дело с нормальными животными, без каких-либо патологических нарушений, другими словами, мы изучали проявления функциональной импульсивности. Полученные данные свидетельствуют о том, что у высоко импульсивных крыс по сравнению с низко импульсивными и амбивалентными животными лучше выражена рабочая память. Нам не известны работы на животных, в которых бы проводили исследование связи между импульсивностью, выявленной в методике delay discounting (выбор между слабым немедленным и сильным задержанным поведением), используемой для оценки “когнитивной” импульсивности, и реверсивным обучением. Наблюдения за людьми (подростки), однако, показывают, что такая связь существует [23, 50, 58], причем она носит инверсивный характер, т.е. чем выше импульсивность, тем хуже осуществляется реверсивное обучение и слабее выражено переключение. Авторы объясняют такие инверсионные отношения замедленным развитием дорзальных фронтальных отделов коры по сравнению с вентральными и затылочными областями в раннем онтогенезе. В нашей работе высоко импульсивные животные совершали меньше ошибок рабочей и долгосрочной памяти при переключении, что не соответствуют наблюдениям на подростках, но и крысы в наших опытах были взрослыми животными.

Изучение рабочей и долгосрочной памяти у крыс на сигнальные раздражители, каковыми были в 8-ми канальном радиальном лабиринте отметки подкрепляемых рукавов, мы провели при смене процедуры подкрепления, а именно в водном бассейне Морриса, где вместо пищевого подкрепления крысы должны были найти платформу под водой на сигнальный флажок.

Круглый пластиковый бассейн черного цвета диаметром – 1 м и высотой – 60 см (Nolde’s Ltd) был наполнен водой до уровня 30 см, располагался в углу большой комнаты и отделен от остального пространства темной матерчатой шторой. В данном варианте опытов животные в поиске платформы, вместе с ее видимой частью, выступающей над поверхностью воды, были ориентированы на специальный флажок, расположенный на платформе. Флажок выступал над платформой на 15 см и имел размеры 10 × 6 см. Вместе с видимой частью платформы он служил в качестве основного сигнального раздражителя. Крысы, ориентируясь на этот флажок, быстро обучались находить безопасную платформу. Обучение продолжали 3 дня по 4 пробы в день. Интервал между пробами составлял 10 мин. В течение каждого опытного дня положение платформы оставалось без изменений, но в разные дни его изменяли. Регистрировали время достижения крысой платформы (латентный период ее нахождения), дистанцию, пройденную за это время и скорость плавания. Время нахождения платформы в течение нескольких проб у всех групп крыс быстро уменьшалось – от 55–50 с до 10–15 с. Дисперсионный факторный анализ показал, что взаимодействие эффектов ГРУППЫ и ПРОБЫ не является достоверным (F_22; 380 = 0.36; p > 0.05), что говорит о том, все три группы одинаково обучаются находить безопасную платформу. То же самое обнаружилось при оценке степени обучения разных групп крыс по показателю проплытого расстояния (F_22; 380 = 0.33; p > 0.05) (рис. 4). Между тем, анализ суммарного эффекта ГРУППЫ (для всех проб) выявил достоверные различия между группами по латентному периоду (F_2; 380 = 2.86; p = 0.05) (за счет разницы между ВИ и НИ группами, p > 0.01) и по проплытому расстоянию (F_2; 380 = 3.18; p = 0.05) (за счет разницы между теми же группами, p > 0.01)(рис. 4). Эти результаты свидетельствуют о том, что хотя ВИ и НИ группы крыс одинаково обучаются достигать видимую платформу, ВИ животные в целом (суммарно) достигают ее быстрее и проплывают при этом меньшее расстояние, чем НИ животные. Интересно, что скорость плавания у всех групп животных была примерно одинаковой, судя по суммарному эффекту ГРУППЫ (F_2; 380 = 1.41; p > 0.05) и по взаимодействию ГРУППЫ и ПРОБЫ (F_2;380 2_{= 0.85; p > 0.05)}

Рис. 4.

Усредненные показатели проплытого расстояния для каждой группы за все пробы. По вертикальной оси – расстояние в см, по горизонтальной оси – группы животных. Остальные обозначения, как в рис. 1. SE – среднеквадратичные отклонения, p < 0.05.

Для более точного определения реакций ВИ и НИ крыс на сигнальный раздражитель, мы предприняли попытку проверить реакции животных в водном лабиринте на дифференцировочный раздражитель. По отмеченным выше показателям (число посещений ложной цели, зоны и квадранта; время достижения ложной цели и пребывания в ложной зоне и квадранте; расстояние, проплываемое до платформы и ложной цели) высоко импульсивные крысы отличались от низко импульсивных. Они реже, чем низко импульсивные животные, посещали ложную цель, меньше времени проводили в зоне и квадранте голубого паруса, проплывая меньшее расстояние (рис. 5а, б; p < 0.05). В то же время импульсивные крысы быстрее достигали целевой платформы с флажком и проплывали до нее меньшее расстояние.

Рис. 5.

Число ошибочных посещений ложной зоны (а) и время нахождения в ложной зоне, с (б). По вертикали (а) – число ошибок, (б) – время, с. Каждый фрагмент из 3-х столбиков на (а) и (б) составлен из 8-ми проб. Остальные обозначения как на рис. 1. * – p < 0.05

При переделке обучения, т.е. при смене целевого стимула (флажка) на ложный, и наоборот, смене ранее ложного стимула (голубой парус) на целевой, картина была примерно такой же, как и при первичном обучении, хотя и с некоторыми особенностями. Так, высоко импульсивные животные реже, чем низко импульсивные, посещали ложную цель, меньше времени проводили в ложной зоне и ложном квадранте и проплывали меньшее расстояние до ложной цели. Между тем, существенных различий по этим показателям между группами животных не наблюдалось при достижении целевой платформы, зоны и квадранта расположения платформы с голубым парусом (теперь положительным стимул – объектом).

Таким образом, крысы с высокой степенью импульсивности по всем исследуемым показателям обнаружили лучшее обучение, как на сигнальный, так и дифференцировочный раздражители. Можно предположить, что выработка рефлексов на условный раздражитель и близкий к нему дифференцировочный сигнал, связаны с уровнем проявления зрительного когнитивного внимания у крыс с разной степенью импульсивности.

Еще одна попытка выявить разницу между импульсивностью и рабочей памятью была предпринята нами в опытах с обучением, связанным с поиском скрытой под водой платформы в бассейне Морриса (рабочая память).

Бассейн условно, с помощью двух пересекающихся через центр прямых, разделяли на 4 квадранта. Точки пересечения прямых со стенками бассейна служили в качестве мест погружения животных в воду (условно – север, юг, запад, восток). В середину одного из квадрантов помещали платформу (10 × 10 см), верхний край которой был на 1.5–2.0 см. ниже уровня воды. Во время опытов в комнате было тусклое освещение; температура воды в ходе опытов была 22–24°C. Опыты проводили в течение 4 дней. Ежедневно применяли 4 пробы продолжительностью 60 с каждая. Интервал между пробами составлял 30 с. Крыс в 1-ой и в последующих пробах погружали в бассейн с разных стартовых точек (юг, север, запад, восток). Местоположение платформы в разные опытные дни было разным, но в течение одного дня расположение оставалось неизменным. Принципиально важным в этой процедуре является интервал времени между пробами. В течение 30 с крысы должны удерживать в памяти местоположение безопасной платформы, и в следующих пробах быстрее находить ее. Перемещения крыс в бассейне регистрировали с помощью видеотрекинговой системы фирмы Noldu’s Ltd. Оценивали время с момента погружения крыс в бассейн до момента нахождения платформы и залезания на нее (латентный период), проплываемое за это время расстояние (дистанция), время пребывания в каждом квадранте, скорость движения. В водном бассейне Морриса все три группы животных находили скрытую под водой платформу за разное время, проплывали при этом разное расстояние и проплывали его с разной скоростью. Эти различия, однако, проявлялись только при суммарном (за все пробы и дни) сравнении указанных показателей, и были недостоверными при сравнении их в зависимости от дней обучения и числа проб. Полученные результаты свидетельствуют о том, что разница между группами, возможно, была обусловлена различиями в общей двигательной активности животных без существенной разницы в проявлении долгосрочной и рабочей памяти.

Наряду с изучением сигнальной памяти в бассейне Морриса, мы исследовали также поведение и обучение крыс на пространственные сигналы, то есть изучали формирование пространственной памяти. На стенах комнаты и на шторах прикрепляли картинки и/или знаки (квадраты, кресты и т.д.), которые служили в качестве внешних стимулов для ориентации животных в пространстве и фиксации положения в бассейне скрытой под водой платформы.

Идеальной для проверки долгосрочной памяти является процедура, которая допускает использование только одной пробы в день с повторным тестированием искомого навыка спустя 24 ч. Однако для того, чтобы ускорить обучение и сформировать навык быстрее, мы несколько модифицировали такую процедуру, применив в день не одну, а две пробы длительностью 60 с. каждая. И хотя в этом случае, в процесс обучения вмешивается также краткосрочная память, задействованная между 1-ой и 2-ой пробами, в промежуток времени между 2-ой пробой текущего дня и 1-ой пробой последующего дня без сомнения включаются механизмы долгосрочной памяти. Крыс брали в опыт в смешанном порядке. После проведения на 6-и разных крысах первой пробы, их снова тестировали во 2-ой пробе. В результате интервал между 1-ой и 2-ой пробами составлял примерно 10 минут. Затем в опыт брали 6 других крыс и на них тоже проводили две пробы, затем следующие 6 крыс и т.д. После каждой пробы крыс вынимали из бассейна и протирали сухим полотенцем. Погружение крыс в воду в разные дни осуществляли всегда из двух точек, например, с юга в первой пробе, и с запада – во второй. Если крыса в течение 60 с не находила платформу, что нередко, бывало, на первых этапах обучения, то ее сажали на платформу и оставляли на ней в течение 10–15 с. Обучение продолжали в течение 18 дней. На следующий день проводили специальную пробу, во время которой платформу убирали из бассейна. Крыс погружали в бассейн на 60 с и исследовали время их пребывания в каждом квадранте. Указанная проба позволяет с большой точностью судить о том, имело ли место обучение или нет. Если время пребывания в каждом квадранте, в том числе, в том, где располагается платформа, составляет не более 25% от общего времени (chance level), то это означает, что обучения не произошло. В случае хорошего обучения процент пребывания в квадранте, где располагалась платформа, может достигать 60–70%. Все три группы животных обучались находить скрытую под водой платформу и взбираться на нее. Латентный период нахождения платформы укорачивался с 50–60 с в первых пробах до 10–20 с к 10–12 дню обучения, после чего практически достигал асимптотического уровня (дна), т.е. оставался на те же значениях. О том, что крысы хорошо научались находить платформу, свидетельствует высоко достоверный эффект изменений этого показателя по дням [F_17;486 = 20.471; p < 0.0001]. Кроме того, по времени нахождения скрытой платформы крысы разных групп достоверно различались, но эта разница проявлялась только при общем (суммарном) сравнении групповых эффектов [F_2;357 = 4.12, p < 0.05]. При такой (за все дни) оценке быстрее всего находили платформу крысы низко импульсивной группы (p < 0.02 НИ против ВИ, и p < 0.01 НИ против АМ). Различий между группами в зависимости от дней обучения не обнаруживалось [F_34;486 = 0.69120, p = 0.9], что свидетельствует об отсутствии разницы в динамике обучения у животных разных групп. По времени нахождения в квадранте платформы и по скорости плавания разницы между группами не было даже в том случае, когда сравнивались между собой суммарные эффекты групп [F_2;486 = 1.3084, p > 0.05] для времени нахождения в квадранте платформы и [F_2;486 = 0.92471, p > 0.05] скорости плавания (Рис. 6).

Проба без платформы. В пробе с удаленной платформой все группы крыс проводили достоверно больше времени в квадранте, где раньше располагалась платформа [F_3;108 = 13.55, p < 0.0001] (30–40% времени) по сравнению с временем провождения в других квадрантах. Однако различий между группами крыс по времени пребывания в квадранте платформы и в других квадрантах лабиринта не обнаружилось [F_6;108 = 1.98, p > 0.05].

В исследованиях на животных мы имеем дело с функциональной импульсивностью, в отличие от дисфункциональной, которая изучается на людях и связана с рядом патологических состояний. Так, например, проводятся исследования на детях с синдромом пониженного внимания и чрезмерной активности [42], у взрослых людей, страдающих алкоголизмом, наркоманией, игроманией и другими зависимостями [12, 15, 30, 34, 43, 44]. У здоровых людей и в опытах на животных связь импульсивности с особенностями обучения и проявлениями памяти мало изучена. Мы попытались найти сходства и/или различия в обучении, проявлениях краткосрочной и долговременной памяти у высоко и низко импульсивных крыс, и если есть различия, чем они вызваны. Суммируя полученные данные с использованием трех моделей исследования (delay discounting, 8-ми канальный радиальный лабиринт, водный лабиринт Морриса), нами было показано, что высоко импульсивные крысы проявляли лучшую краткосрочную и долговременную память, чем низко импульсивные и амбивалентные животные. Так, в процессе обучения в 8-канальном радиальном лабиринте высоко импульсивные животные быстрее находили подкрепляемые рукава и поедали пищу, в среднем за пробу они совершали меньше ошибок краткосрочной (рабочей) памяти, затрачивали меньше времени на обход всех подкрепляемых рукавов лабиринта, по сравнению с крысами других групп. Эти проявления краткосрочной памяти были выявлены, как при оригинальном, так и реверсивном обучении. При этом скорость обучения у них не отличалась от скорости обучения других групп животных. Состояние рабочей памяти в зависимости от степени импульсивности у крыс исследовали [20, 46]. В работе [20] рабочую память оценивали путем подсчета общего числа ошибок в 8-рукавном радиальном лабиринте за время обхода крысами всех 8-и подкрепляемых рукавов, а в работе [46] – с помощью модифицированной методики “соответствия по месту” (matching to position task). В этих исследованиях были получены прямо противоположные результаты: рабочая память не зависела от степени импульсивности в опытах Ф. Деллу-Хагедорн [20] и хуже проявлялась у импульсивных животных в опытах Ренды и соавт. [46]. Возникло предположение, что различия в полученных результатах связаны с большой разницей в используемых методиках. В работe [46], хотя связь краткосрочной памяти с импульсивностью и была обнаружена, она оказалась прямо противоположной той, которая получена в наших экспериментах. Конкретно, память оказалась хуже у животных с более выраженными импульсивными свойствами, чем у менее импульсивных животных. В наших опытах сопоставлению с проявлением памяти подвергалась так называемая “когнитивная” импульсивность, основанная на оценке мозгом величины подкрепления в условиях большей или меньшей степени определенности [22]. Прежде чем выявлять проявления той или иной памяти, мы в специальных опытах классифицировали животных по уровню импульсивности в условиях выбора между слабым немедленным и сильным задержанным подкреплениями. В последнем случае из-за роста неопределенности благодаря задержке подкрепления, ослабевает психологическая оценка мозгом его величины, в результате чего происходит переориентация выбора в сторону слабого подкрепления. Таким образом, мы проверяли память на группах крыс, достоверно отличающихся по уровню импульсивности, а именно были выделены три группы животных – высоко, низко импульсивные и амбивалентные крысы.

С целью проверки полученных результатов мы предприняли попытку проверить на тех же группах крыс рабочую и долговременную память с помощью разных методических приемов, различающихся по сигнальным характеристикам и по знаку примененного подкрепления. С одной стороны, мы изменили вид подкрепления, сменив пищевое поведение на оборонительное. С другой, для сравнения с сигнальной памятью провели исследование пространственной памяти. Оказалось, что у высоко импульсивных животных в водном бассейне Морриса при решении сигнальных задач, связанных с различением разных предметов (флажки, парус, включая тонкую дифференцировку по цвету и форме) кратковременная и долговременная память также лучше проявлялась у высоко импульсивных крыс по сравнению с менее импульсивными и амбивалентными животными.

Каковы же причины выявленных различий в проявлениях краткосрочной и долгосрочной памяти у высоко- и низко импульсивных животных? Одним из возможных объяснений улучшенной памяти у высоко импульсивных животных по сравнению с другими группами крыс является их более выраженная двигательная активность. В частности, хотя высоко импульсивные животные совершали в среднем за пробу меньше ошибок рабочей памяти, чем животные других групп, они также затрачивали меньше времени для обхода всех подкрепляемых рукавов лабиринта. Можно, поэтому предположить, что память у разных групп животных не отличается друг от друга, а разница в поведении возникает из-за более высокой общей двигательной активности импульсивных животных. Если за оценку памяти принять не абсолютное число ошибок за всю пробу (5 мин), а их относительное количество за реально затраченное время, то разница между группами тогда нивелируется. В пользу этого предположения свидетельствует тот факт, что градиенты снижения числа ошибок у всех групп, отражающих скорость обучения животных, не отличались друг от друга. Между тем, оценка памяти по отношению числа ошибок к затраченному времени может вызвать серьезные возражения, поскольку в данном случае оцениваются не когнитивные процессы сами по себе, а их хронологическое развитие во взаимодействии с общей двигательной активностью. В то же время в нашей ранней работе [8] было показано, что наиболее активными и наименее тревожными в тестах приподнятого крестообразного лабиринта, при выработке условной реакции страха (fearconditioning) и в пробе на торможение пищевого поведения в новой обстановке (novelty suppressed feeding) были высоко импульсивные животные. У них было лучше выражено также исследовательское поведение [7]. С этими результатами согласуется быстрое достижение почти безошибочного поведения на 7-ой день высоко импульсивными крысами, что может быть связано с их лучшей исследовательской активностью по сравнению с низко импульсивными животными. Не исключено, что высоко импульсивные животные из-за функциональных особенностей ряда структур мозга (фронтальная кора, поясная извилина, гиппокамп, миндалина и вентральный стриатум), и разного соотношения их взаимовлияний, лучше адаптированы к стрессу и фрустрациям при неподкреплениях. Некоторые исследователи полагают, что разные фазы поведения при принятии решения связаны с медиальной или орбитальной фронтальной и цингулярной корой [48, 49]. Показано, что активация дорзальной фронтальной коры обеспечивает выбор сильного задержанного подкрепления [39], а активация вентральной фронтальной коры вместе с вентральным стриатумом – выбор слабого немедленного подкрепления [14]. В экспериментах на клеточном уровне показаны различия в организации фронто-гиппокампальных распределенных сетей у импульсивных и само-контролирующих кошек в ситуации с “правом выбора” пищевого разноценностного подкрепления [9, 37]. В работах с использованием магнитно-резонансного имиджинга функцию гиппокампа связывают с выбором отдаленного ценностного поведения. При атрофиях гиппокампа при разных патологиях происходит существенное ослабление такого выбора [31, 32]. Таким образом, организация импульсивного и задержанного поведения может определяться выбором разных структур мозга или разным соотношением активностей одних и тех же структур.

Пространственную память мы оценивали по способности крыс с разным уровнем импульсивности находить скрытую под водой платформу в водном лабиринте Морриса за счет формирования у них аллоцентрического навыка. Суть этого навыка заключается в том, что животные строят когнитивные карты пространства и определяют в нем местонахождение платформы путем “привязывания” ее к внешним стимулам обстановки. Краткосрочная и долгосрочная память в этом случае оценивается по латентному периоду нахождения скрытой платформы, проплываемому расстоянию, времяпровождению животного в квадранте платформы и по другим показателям. Если пространственная память является формой проявления в большей степени аллоцентрического навыка, ориентированного на внешние (вне лабиринта) стимулы, то сигнальная память больше связана с эгоцентрическим навыком, ориентированным на конкретные стимулы. При общем (суммарном) сравнении групповых эффектов быстрее всего находили платформу крысы низко импульсивной группы. Различий между группами в зависимости от дней обучения (т.е. по характеристикам обучения) и по другим оценкам не обнаруживалось. Другими словами, в наших опытах проявилась связь степени импульсивности с сигнальной памятью, и не проявилась с пространственной памятью. Для комплексного ответа на этот вопрос, однако, требуется исследование пространственной памяти с применением других методик, например, в 8-ми канальном радиальном лабиринте, что и было сделано. Опыты были проведены на 38 крысах-самцах, разделенных на три группы по методике delay discounting (НИ – 16, ВИ – 13, амбивалентных – 9). Крыс обучали находить и поедать подкрепление в 4 рукавах 8-канального радиального лабиринта. Подкрепление для одной и той же крысы на протяжении всего обучения находилось в строго определенных рукавах лабиринта, например, в 1, 2, 5 и 7 рукавах, но для разных крыс рукава могли быть другими. В день применяли одну пробу с максимальной продолжительностью 5 минут. Пробу прекращали после того, как крысы обходили все 4 подкрепляемые рукава лабиринта. Память оценивали на основе подсчета ошибок краткосрочной (рабочей) и долгосрочной памяти. За ошибки краткосрочной памяти принимали число повторных заходов в подкрепляемые рукава лабиринта, а за ошибки долгосрочной памяти – число всех заходов в неподкрепляемые рукава. Оценивали также время, за которое крысы обходили подкрепляемые рукава. Все крысы в течение 16 дней хорошо обучались находить и съедать пищу в 4-х подкрепляемых рукавах лабиринта. Они тратили на это 140–150 с (ВИ и НИ крысы) и 125 с (АМБ крысы). Суммарный эффект ГРУППЫ по этому показателю был высоко достоверным [F_2;1288 = 5.77, p < 0.005] благодаря существенным различиям между ВИ и АМБ (p < 0.01) и НИ и АМБ (p < 0.01) группами. До 9–10 дня обучения время, за которое животные обходили все подкрепляемые рукава лабиринта прогрессивно уменьшалось, с 200–250 с до 75–100 с, а затем сохранялось на этом уровне. Это было характерно для всех групп крыс. Высоко достоверный эффект ПРОБЫ [F_15;1288 = 40.00, p < < 0.0000], но взаимодействие между эффектами ГРУППЫ и ПРОБЫ [F_30;1288 = 0.77, p > 0.05] оказалось недостоверным. НИ крысы в целом (усредненные данные за все время обучения – долгосрочная память) делали существенно меньше ошибок, чем ВИ животные (p < 0.05). В начале обучения число ошибок долгосрочной памяти варьировало у разных групп крыс от 2.5 до 4.0 ошибок за пробу, но постепенно оно уменьшалось и к концу обучения составляло всего 0.5–1.0 ошибку за пробу. Несмотря на достоверные различия в суммарном (за все пробы) эффекте ГРУППЫ, взаимодействие эффектов ГРУППЫ и ПРОБ было недостоверным [F_30;1288 = 1.03, p > 0.05]. Это говорит о том, что все группы по этому показателю достигали асимптотического уровня примерно одинаково, т.е. в итоге одинаково обучались решать искомую задачу. Как и в случае оценки долгосрочной памяти, НИ крысы в целом (усредненные данные за все время обучения) делали существенно меньше ошибок краткосрочной памяти, чем ВИ животные (p < 0.05). В начале обучения крысы совершали в среднем 0.6 ошибки за пробу, а в конце обучения только 0.2 ошибки. Как и для долгосрочной памяти, взаимодействие эффектов ГРУППЫ и ПРОБЫ для ошибок краткосрочной памяти было недостоверным [F_30;1288 = 1.07, p > < 0.05]. Следовательно, хотя НИ крысы делали существенно меньше ошибок, чем ВИ животные, они обучались примерно одинаково. Таким образом, в рамках используемой методики не удалось выявить принципиальных различий между степенью импульсивности и ассоциативной памятью. Внимание привлекает группа амбивалентных животных, которые используют стратегию как высоко импульсивных, так и низко импульсивных крыс, что создает им большую возможность результативного выбора.

Ранее в работе [3] мы описали индивидуально-типологические особенности человека и животных на основе двух нейробиологических принципов – степени (недостаточной или избыточной) оценки мозгом подкрепления и условий неопределенности среды. По этой классификации импульсивное поведение проявляется при недооценке мозгом величины подкрепления и в условиях высокой неопределенности среды. П.В. Симоновым [10] была выделена конкретная система структур мозга, определяющих индивидуально-типологические особенности человека и животных. В этой системе гиппокамп и фронтальная кора играют важную роль в реагировании организма на низко вероятные (гиппокамп) и высоковероятные (фронтальная кора) события. При исследовании мозга импульсивных кошек по сравнению с самоконтролирующими в ситуации “права выбора” ценного пищевого подкрепления показано [37] усиление межнейронных взаимодействий во фронтальной коре и уменьшение в гиппокампе (полеCA3). С этой точки зрения, нам представляется, что у высоко импульсивных животных функция гиппокампа проявляется слабее, чем у низко импульсивных (само-контролирующих). Если это так, то баланс фронто-гиппокампальных влияний изменяется в сторону преобладания фронтальной коры, и в результате поведение животных ориентируется на высоковероятные события. У крыс с повреждением гиппокампа при выборе в Т-образном лабиринте немедленного слабого и задержанного сильного подкрепления, сигнализируемого двумя разными цветами стенок лабиринта, поведение отчетливо сдвигалось в сторону импульсивных реакций по сравнению с контрольными животными [35]. При повреждениях орбито-фронтальной коры этого не наблюдалось.

Еще одним объяснением улучшенной краткосрочной и долгосрочной памяти у высоко импульсивных животных по сравнению с другими группами может быть их большая устойчивость к стрессу. В одной из наших предыдущих работ [26, 27] мы обнаружили, что у крыс, подверженных в раннем возрасте умеренному стрессу (лишение материнского ухода) во взрослом организме усиливается устойчивость к стрессу, которая проявляется в меньшем числе ошибок в 8-канальном радиальном лабиринте. Хроническое введение гормона стресса, кортикостерона в раннем возрасте усиливало импульсивность в зрелом возрасте [57].

Рис. 6.

Динамика обучения высоко, – низко импульсивных и амбивалентных крыс в водном лабиринте Морриса (тест на проявление краткосрочной памяти). (а) – время обнаружения срытой платформы, с. (б) – проплываемое расстояние, см. По горизонтали: 1, 2, 3, 4 – пробы на проявление рабочей памяти; серая линия – реакции низко импульсивных, черная – высоко импульсивных, пунктирная – амбивалентных животных.

Сети импульсивного и самоконтролируемого поведения различны по набору мозговых структур. Это и понятно, т.к. в поведение включаются структуры, обеспечивающие внимание, мотивации, эмоции, а также и исполнительные сети для получения результата. В общем контексте все эти системы взаимодействуют между собой. Одним из актуальных вопросов проблемы выбора и, в частности, задержанных реакций является изучение системы тормозного контроля поведения и его отсутствия. Гиперактивность, синдром дефицита внимания, паркинсонизм, неоправданная рискованность, склонность к азартным играм и другим несдержанным проявлениям поведения, говорит о том, что у субъекта нет контроля сдерживания поведения, т.е. слабо выражены тормозные процессы. Встает вопрос, какие нейронные сети отвечают за создание такого контроля. На основе имеющихся в литературе экспериментальных данных, основанных на хирургических, нейрофармакологических и электрофизиологических исследованиях, можно предположить структуру нейронных сетей поведенческого торможения [21, 33, 38]. Авторы концентрируют внимание на субталамическом ядре, как ключевом в сети, включающей орбито-фронтальную кору и дорзальный стриатум. Орбито-фронтальная кора, дорсолатеральный стриатум, субталамическое ядро – это те структуры, которые могут формировать нейронную сеть для организации поведенческого торможения и подавления нежелательных неадаптивных реакций [38]. Что касается контроля импульсивного поведения, то в нем участвуют прилежащее ядро, формирующее сеть с бледным шаром, медиодорзальным ядром таламуса, черной субстанцией и моторными ядрами. На рис. 7 показаны мозговые структуры и межнейронные взаимодействия, выявленные в наших опытах кросскорреляционным статистическим методом в экспериментах на кошках, и вовлеченные в импульсивное (красным) и самоконтрольное (синим) поведение. Метод кросскорреляции импульсных рядов позволяет определить направление взаимодействий между структурами. Видно, что исследованные нами структуры мозга по-разному вовлечены при реализации импульсивного и самоконтролируемого поведения, имеют как двусторонние, так и односторонние взаимодействия.

Рис. 7.

Схематическое изображение мозговых структур, вовлеченных в импульсивное (красным) и самоконтролируемое (синим) поведение, выявленных на основе межнейронных взаимодействий в экспериментах на кошках. Стрелками указаны выявленные статистические межнейронные взаимодействия между представленными структурами. Am – миндалина, Hp – гиппокамп, PFC – префронтальная кора больших полушарий, HL – гипоталамус, NAcc – прилежащее ядро, STN – субталамическое ядро, DMStr – дорзомедиальный стриатум.

Реверсивное обучение является удобной моделью для оценки “гибкости” (flexibility) или пластичности переключения в поведении. В наших опытах высоко импульсивные животные лучше и быстрее перестраивали поведение при смене ранее неподкрепляемых рукавов 8-канального радиального лабиринта на подкрепляемые рукава, и наоборот. Наблюдения за людьми, однако, показывают, что такая связь существует [23, 50], чем выше импульсивность, тем хуже осуществляется реверсивное обучение и слабее переключение. Как мы уже сообщали, для проявления как оригинального, так и реверсивного обучения, существенную роль играют не столько сами по себе фронтальная кора и гиппокамп с вовлеченными структурами, сколько соотношение их активностей и взаимовлияний. Что касается долгосрочной памяти и ее оценки при переключении, то в этом случае речь, по-видимому, идет скорее о некоем аналоге “гибридной” памяти, включающей в себя элементы рабочей и долгосрочной памяти, причем о первой даже в большей степени, чем о второй.

Хотя использованная нами оценка рабочей и долгосрочной памяти является общепринятой, динамика показателей оценки все же в большей степени отражает динамику процесса обучения, нежели памяти самой по себе. Поэтому в нашей работе мы использовали методический прием, который прямо (по критерию ошибок), а не косвенно (по приросту поведенческих показателей) отражал бы состояние обучения.

Необходимо отметить, что данные по исследованию внимания у импульсивных субъектов получены в основном на человеке, в связи с распространенным у подростков заболеванием – синдромом дефицита внимания и повышенной гипперактивности. Он характеризуется чрезмерной импульсивностью и ослабленным вниманием. В небольшом числе работ на животных [19, 28, 45] с использованием методики 5-и местной дифференцировки (5-CSRTT) было также продемонстрировано ослабленное внимание у импульсивных животных. Первое, что может быть причиной рассогласования, это различное по своему характеру подкрепление. Если в методиках с пищевым подкреплением животным не угрожает опасность, а лишь разница в количестве пищи, то в методике с использованием бассейна Морриса, крысы спасаются от утопления. Судя по большой моторной активности высоко импульсивных крыс, в случае негативного подкрепления можно ожидать их преимущества в лучшем решении задачи. Крысы с высокой степенью импульсивности по всем исследуемым показателям обнаружили лучшее обучение, как на сигнальный, так и дифференцировочный раздражители. Посещение зоны и квадранта с дифференцировочным (ложным) раздражителем, а также времени нахождения в них были достоверно меньше для высоко импульсивных крыс. Кроме того, результаты предполагают, что выработка рефлексов на условный раздражитель и близкий к нему дифференцировочный связаны с различиями в проявлении зрительного когнитивного внимания у крыс с высокой и низкой степенью импульсивности.

В заключение следует подчеркнуть, что все крысы успешно обучились и пользовались своей памятью при решении задач. Наличие выявленной зависимости между функциональной импульсивностью разной степени и проявлениями краткосрочной и долгосрочной памяти может иметь практическое значение прежде всего для выбора методических приемов обучения детей и подростков, а также играть существенную роль в выборе профессии.