|
Молекулярная генетика мозга. Оптимизация обучения человека
Молекулярная генетика мозга. Повышение эффективности обучения человека на основе особенностей экспрессии непосредственных ранних генов (НРГ) в
мозге, а также конкретных функциональных систем, составляющих индивидуальный опыт человека и
формируемых в процессе обучения
Константин Владимирович Анохин - член-корреспондент РАН, заведующий лабораторией нейробиологии памяти Института нормальной физиологии РАМН:
«Одна из интереснейших целей генетики и молекулярной биологии – загадка нейроэволюции. Я называю
этим словом феномен, открытый в последние годы молекулярной генетикой. Простой, но поразительный факт: чтобы создать любой из наших
внутренних органов, требуется всего три, пять, иногда семь процентов всех генов. А для создания мозга у человека и других млекопитающих
предназначено более половины генов в составе генома. Задумайтесь: каждый второй из наших генов работает для обеспечения функций мозга. Это в
корне меняет представления о содержании эволюции. Нежная ткань мозга не сохранялась у ископаемых животных, и палеонтологи более двух веков
изучали в основном строение тела, скелета, черепов и костей. Но сегодня мы начинаем осознавать, что основные усилия эволюции мира животных
были затрачены именно на создание мозга. Как гениально ощутил это более полувека назад Тейяр де Шарден: "История жизни есть, по существу, развитие
сознания, завуалированное морфологией".
1. Формирование нового опыта требует экспрессии генов в мозге. Современные представления о молекулярно-биологических механизмах обучения и памяти
строятся на положении о кратковременной и долговременной формах хранения информации в мозге. В основе этой теории лежит открытие Г. Мюллера и А.
Пильзекера, обнаруживших в 1900 году, что переход из кратковременной и легко нарушаемой памяти в долговременную и устойчивую память происходит у
человека в течение первого часа после получения им новой информации. Они назвали этот процесс консолидацией памяти.
Основным шагом в понимании биологических механизмов консолидации памяти стало открытие 1960-х годов, показавшее, что переход памяти из
кратковременной в долговременную форму требует синтеза новых молекул РНК и белка, т.е. экспрессии генов.
Было установлено, что волна синтеза новых белков в клетках при запоминании информации совпадает с периодом консолидации памяти, обнаруженным
Мюллером и Пильзекером, а химическая блокада экспрессии генов в этот период нарушает образование долговременной памяти. Оказалось также,
что "критическое окно" амнестического действия блокаторов экспрессии генов универсально для самых разных видов обучения и различных
организмов, от беспозвоночных до человека. Данное предположение также хорошо согласовывалось с гипотезой об участии клеточного роста и
изменения морфологии синапсов в долговременной памяти.
Таким образом, понятие долговременной памяти постепенно трансформировалось из условного обозначения относительной продолжительности
явления, в компонент биологической концепции, связывающей научение и опыт с морфогенезом и развитием. Критическим звеном этой концепции
стал молекулярный механизм консолидации памяти, отождествляемый с активацией транскрипции генов в нервных клетках при научении. Однако то, какие
именно гены активируются при научении и каковы их функции в нервных клетках, долгое время оставалось неизвестным.
2. При научении в мозге активируются гены транскрипционных факторов. Первыми генами, активация которых была обнаружена в мозге при обучении,
оказались так называемые "непосредственные ранние гены", кодирующие транскрипционные факторы. "Непосредственные ранние гены" (НРГ) были
впервые обнаружены при изучении механизмов геномного ответа на действие факторов роста, запускающих процессы клеточного цикла. Индукция их
транскрипции происходила несмотря на подведение ингибиторов синтеза белка, то есть строилась на механизмах, заранее готовых для восприятия
экстраклеточных стимулов. Первые из идентифицированных продуктов генов данного семейства оказались ядерными белками, связывающимися с ДНК и
регулирующими транскрипцию других генов.
По этим свойствам данные гены значительно напоминали группу "непосредственных ранних генов" бактериофагов и эукариотических ДНК-вирусов,
поэтому, по аналогии с вирусными генами, эта группа быстро активирующихся генов получила название "клеточных непосредственных ранних генов".
Это же семейство часто обозначается как "гены первичного ответа", "гены раннего ответа" или просто "ранние" гены.
Одним из первых в данной группе был клонирован ген c-fos. Его структура и свойства хорошо изучены, и он может служить прототипом генов
данного семейства. Первоначально было установлено, что в ходе эмбрионального развития c-fos играет важную роль в регуляции процессов клеточного
роста и пролиферации. Гены, экспрессия которых находится под контролем индуцируемых транскрипционных факторов, были названы, по аналогии с вирусными
системами, "поздними" генами, "генами позднего ответа" или "эффекторными" генами, а весь двухфазный механизм регуляции транскрипции с участием этих
двух классов генов является одним из наиболее универсальных способов обеспечения процессов клеточного деления и роста в развитии.
В середине 1980-х годов несколько исследовательских групп обнаружили экспрессию гена c-fos в мозге обучающихся взрослых животных. Это повлекло за собой
широкий спектр исследований участия этого и других НРГ в самых разных задачах обучения. Некоторые из результатов этих исследований суммированы в таблице 5.1.
В таблице 5.1. приведены результаты исследований участия непосредственных ранних генов в самых разных задачах обучения.
| № п/п | Свойства экспрессии непосредственных ранних генов в мозге |
|---|
| 1 | В мозге взрослых животных, находящихся в «спокойных» условиях, транскрипция большинства НРГ
находится на низком, часто недетектируемом уровне |
|---|
| 2 | В условиях ведущих к процессам научения, - при потере результативности ранее выработанных действий
животного, при новых и неожиданных воздействиях среды или исчезновения привычных и ожидаемых событий – происходит
быстрая активация транскрипции НРГ в нервной системе |
|---|
| 3 | Активация транскрипции НРГ начинается сразу после попадания животных в ситуацию обучения |
|---|
| 4 | Экспрессия НРГ при научении происходит в нервных, но не глиальных клетках |
|---|
| 5 | Паттерны распределения клеток, экспрессирующих ранние гены, имеют генерализованный характер и охватывают
обширные районы мозга. Конкретная топография экспрессии определяется характером воздействия и задачами обучения |
|---|
| 6 | Экспрессия НРГ регулируется обучением в разные сроки постнатального развития, от рождения до взрослого возраста |
|---|
| 7 | Активация НРГ затухает по мере потери новизны воздействия или после завершения выработки и автоматизации нового навыка. Обыденная
поведенческая активность животных, выполнение ими приобретенных автоматизированных навыков, действие знакомых им сигналов и событий или нахождение животных в
привычной им среде, не сопровождаются экспрессией НРГ в нервной системе |
|---|
Таблица 5.1. [см. глава 20 - К. В. Анохин. Психофизиология и молекулярная генетика мозга (Александров, 2001) ]. Особенности
экспрессии непосредственных ранних генов (НРГ) в мозге при обучении.
Прямое подтверждение критической роли экспрессии гена c-fos в формировании памяти дали эксперименты с избирательной блокадой его активности мозге. Эти
опыты показали, что подавление трансляции мРНК c-fos в структурах мозга нарушает долговременную, но не кратковременную память в различных моделях
обучения и у разных видов животных.
Сходные данные были получены и для других членов семейства непосредственных ранних генов. Общее же число кандидатных генов пластичности, индуцируемых в
нервной системе, по некоторым оценкам, может составлять до 1000.
3. На молекулярно-генетическом уровне научение составляет с развитием единый континуум. Таким образом, при научении в нервных клетках наблюдается следующая
последовательность молекулярно-генетических процессов. Вначале рассогласование текущей ситуации с имеющимся опытом запускают активацию каскада "ранних" регуляторных
генов в группах клеток опосредующих эти процессы. Продукты "ранних" генов индуцируют, в свою очередь, экспрессию "поздних" генов, в том числе генов морфорегуляторных
молекул, являющихся ключевыми участниками процессов морфогенеза при эмбриональном развитии. Эти и другие эффекторные гены стабилизируют участие нейронов в
новой, сложившейся в результате обучения, функциональной системе. При этом основные молекулярно-генетические элементы и этапы молекулярного каскада дифференцировки клетки
оказываются чрезвычайно сходными при научении и развитии. В определенном смысле мы можем сказать, что на молекулярном уровне научение выступает как непрекращающийся
процесс развития. Однако механизмы регуляции экспрессии генов при научении имеют одно чрезвычайно важное отличие от сходных процессов в развитии.
4. На системном уровне активность генов в мозге при научении переходит под когнитивный контроль. Выше уже упоминалось, что вопрос о том, вызовет или нет какая-либо
поведенческая ситуация экспрессию "ранних" генов в клетках мозга, критическим образом зависит от содержания прошлого индивидуального опыта животного и определяется
фактором субъективной новизны данного события. Это хорошо видно из следующего эксперимента.
Мышей помещали в камеру, где они получали серию неизбегаемых электрокожных раздражений. Это вызывало у них массивную активацию экспрессии гена c-fos в ряде структур
головного мозга - коре, гиппокампе и мозжечке. Однако, после того как животных регулярно подвергали этому воздействию на протяжении 6 дней, в конце концов та же самая
процедура, связанная с аверсивной стимуляцией, переставала вызывать активацию c-fos в клетках мозга. Хотя животные продолжали подвергаться электрокожному
раздражению, это воздействие утеряло свою новизну и перешло в категорию ожидаемых событий в системах их индивидуального опыта. Таким образом, экспрессия c-fos в
данных условиях вызывается вовсе не внешними стимулами, действующими на мозг, а их несоответствием материалу инидивидуальной памяти. Наиболее демонстративно это
можно было увидеть на животных специальной группы, которым наносили раздражение на протяжении пяти дней, а на шестой день помещали их в ту же камеру, но электрокожную
стимуляцию они в ней не получали. Это отсутствие стимуляции вызывало на первый взгляд парадоксальный эффект - животные данной группы демонстрировали значительную активацию
экспрессии гена с-fos в мозге, особенно в гиппокампе.
Следовательно, взаимоотношение процессов развития нервной системы и научения требует описания на двух различных уровнях. На уровне регуляции экспрессии генов научение
действительно составляет с развитием мозга единый континуум. В обоих случаях дифференцировка нервных клеток зависит от активации в них определенных транскрипционных
факторов. Некоторые из этих белков кодируются семейством "ранних" генов. Активация этих генов и в развивающемся и обучающемся мозге осуществляется посредством факторов
роста, медиаторов и гормонов. Вслед за экспрессией транскрипционных факторов наступает вторая волна активации "поздних" или эффекторных генов.
Белковые продукты этих генов, выполняют разнообразные функции в нервных клетках. В частности, молекулы клеточной адгезии и другие синаптические белки изменяют связи
нейрона, устанавливая функциональную специализацию клетки в системе межклеточных отношений. Сходство молекулярных механизмов клеточной специализации на границе между
завершающими стадиями созревания нервных связей и началом их модификации в поведении настолько велико, что, пользуясь одними лишь критериями молекулярного анализа, часто
невозможно определить, относится ли рассматриваемый клеточный процесс к развитию или к научению.
Библиография
Анохин К.В. Обучение и память в молекулярно-генетической перспективе//Двенадцатые Сеченовские чтения. М., 1996.
Анохин К.В. Психофизиология и молекулярная генетика мозга/Основы психофизиологии/Под. ред. Ю.И.Александрова. СПб., 2001.
Шмальгаузен И.И. Пути и закономерности эволюционного процесса. М., 1983.
Deacon T.W. The Symbolic Species: The Co-Evolution of Language and the Brain. N.Y., 1997.
Edelman G. The Remembered Present: A Biological Theory of Consciousness. N.Y., 1989.
Edelman G. Bright Air, Brilliant Fire. On the Matter of the Mind. N.Y., 1992.
Gould S.J. Ontogeny and Phylogeny. Harvard, 1977.
Pinker S. How the Mind Works. N.Y.; London, 1999.
Plotkin H. Evolution in Mind. An Introduction to Evolutionary Psychology. London, 1997.
Popper K.P. Knowledge and the Body-Mind Problem. London, 1994.
Wilson E.O. Consilience. N.Y., 1998.
Частично материал взят из архивов программы А. Гордона с сайта http://promo.ntv.ru/programs/specials/gordon/index.jsp?part=Article&pn=21&arid=8295
При системном анализе выявляется, что если на уровне молекулярных механизмов регуляции транскрипции, научение действительно выступает как продолжающийся процесс
развития, то на системном уровне, управление этим клеточным процессом претерпевает фундаментальную трансформацию. Оно переходит из под контроля только локальных
клеточных и молекулярных взаимодействий под контроль более высокого порядка - общемозговых интегративных процессов, которые протекают в функциональных системах, составляющих
индивидуальный опыт организма. (Анохин К.В., 2001)
В терминах ТФС П. К. Анохина, можно сказать, что экспрессия НРГ в клетках головного мозга наступает при условии рассогласования обстановочной, пусковой или мотивационной
афферентации с акцептором результатов действий в какой-либо из врожденных или приобретенных функциональных систем организма. Это означает, что активность НРГ в поведении
является производной от системных процессов сличения афферентации и содержания индивидуального опыта на нейронах головного мозга, процессов, которые определяются фактором
новизны, то есть сопоставления, субъективной оценки организмом среды и собственного поведения.
Для человека фактор новизны связан с комплексной системой знаний, представлений, оценок, поэтому при изучении нового
материала, опыта и т.п. необходимо дополнительно выявлять и намечать основы формирования взаимосвязей:
1.
Связь со смежными дисциплинами и областями знаний.
2.
Практическая реализация новых знаний.
3. Влияние практической реализации новых знаний на конкретную экосистему или взаимодействие экосистем.
4. Связь нового изучаемого материала с историей науки и техники.
5. Связь с тенденциями современного и перспективного развития.
6. Оценка нового изучаемого материала на основе «пережитого значенье». Сопоставление оценок прошлого с настоящим, их
значимость на «шкале времен» и связанные с ними гуманитарные и личные представления и замечания.
П. К. Анохин пришел к выводу, что для понимания приспособительной эффективности индивида следует изучать не «функции» отдельных
органов или структур мозга, а организацию целостных соотношений организма со средой. Суть подобных организаций состоит в том, что отдельные
вовлеченные в них компоненты не взаимодействуют, а взаимосодействуют, т. е. координируют свою активность для получения конкретного результата.
Мозговые процессы, опосредующие индивидуальный опыт организма в психофизиологии описываются специфическими системными процессами и функциональными
системами, сформированными при взаимодействии данного организма с окружающей его средой (подробнее см. раздел «Модель функциональной
системы П.К. Анохина. Модель комплексной функциональной системы. Факторы возникновения и функционирования речи»)
Необходимо отметить, что развитие эмоциональной языковой подсистемы (см. Модель комплексной функциональной системы. Рис. 2. ) может опережать развитие
смысловой языковой подсистемы. В связи с этим целесообразна разработка и производство музыкальных развивающих игрушек, формирующих
музыкальный слух. Это очень важно для первых лет жизни ребенка. В развитии музыкального слуха и музыкальных способностей так же существует определенный
критический период, как и для формирования речи. Только так можно объяснить тот факт, что не у всех профессиональных музыкантов идеальный музыкальный слух.
Развивающая музыкальные способности игрушка выполняется в виде плоской пластины, на поверхности которой нанесено изображение нотного
стана. Сенсоры и индикаторы включения расположены под каждой нотой, представленной на нотном стане. При указании (воздействии) обучаемым на
какую-либо ноту, громкоговорителем, размещенным на теле пластины, воспроизводится звучание аудиосигнала, по высоте и длительности соответствующие
изображенному символу. Кроме того, устройство может самостоятельно воспроизводить простые мелодии с их индикацией на нотном
стане. Затем ребенок, нажимая на ноты, может повторить эту мелодию. Это несколько напоминает известную телевизионную
передачу «Отгадай мелодию из малого количества нот». Но в нашем случае эту мелодию можно и проиграть на нотном стане.
В таблице 3.2. приведены наши рекомендации по оптимизации обучения человека на основе особенности экспрессии НРГ в мозге, а также конкретных
функциональных систем, составляющих индивидуальный опыт организма и формируемых в процессе обучения.
| № п/п | Ситуация обучения, учитывающая особенности экспрессии НРГ в мозге
|
|---|
| 1 | Обеспечить новые и неожиданные воздействия среды при полнейшем исчезновении
привычных и ожидаемых событий |
|---|
| 2 | Все компоненты методики реализуют в виде своеобразной увлекательной игры, каждый раз при
новых неожиданных условиях действия |
|---|
| 3 | Не поощрять ранее выработанных навыков ученика |
|---|
| 4 | Сразу после завершения выработки и автоматизации нового навыка приступить к
формированию последующего навыка |
|---|
| 5 | Все компоненты методики должны преподноситься в виде избирательно вовлеченных
компонентов у которых взаимодействие и
взаимоотношение приобретают характер взаимосодействия компонентов, направленного на получение полезного
результата |
|---|
| 6 | Методика должна учитывать возрастные особенности учеников, так как экспрессия НРГ регулируется обучением в разные
сроки постнатального развития |
|---|
| 7 | Компоненты методики должны учитывать особенности конкретных функциональных
систем, составляющих
индивидуальный опыт организма и формируемых в процессе обучения.
(Подробнее см. WWW.ZOOTON.NET,
раздел «Возникновение речи. Теория и практика». Модель комплексной функциональной системы.).
|
|---|
| 7.1. | В развитии музыкального слуха и музыкальных способностей так же существует определенный
критический период, как и для формирования речи. Только так можно объяснить тот факт, что не у всех
профессиональных музыкантов идеальный музыкальный слух |
|---|
| 7.2. | С целью развития музыкального слуха и музыкальных способностей детей целесообразна разработка и
производство музыкальных развивающих игрушек, формирующих музыкальный слух |
|---|
| 8. | При изучении нового материала, опыта и т.п. необходимо дополнительно выявлять и намечать основы
формирования взаимосвязей: |
|---|
| 8.1. | Связь со смежными дисциплинами и областями знаний |
|---|
| 8.2. | Практическая реализация новых знаний |
|---|
| 8.3. | Влияние практической реализации новых знаний на конкретную экосистему или взаимодействие экосистем |
|---|
| 8.4. | Связь нового изучаемого материала с историей науки и техники |
|---|
| 8.5. | Связь с тенденциями современного и перспективного развития |
|---|
| 8.6. | Оценка нового изучаемого материала на основе «пережитого значенье». Сопоставление оценок прошлого с
настоящим, их значимость на «шкале времен» и связанные с ними гуманитарные и личные представления и
замечания |
|---|
Таблица 3.2. Наши рекомендации. Ситуация обучения, учитывающая особенности экспрессии НРГ в мозге, а также конкретных функциональных
систем, составляющих индивидуальный опыт организма и формируемых в процессе обучения человека
Оптимизация обучения предполагает не унификацию «индивидуальной истории воспитания и обучения» а
исключение некоторого количества ошибок в индивидуальном воспитании и обучении.
Наша статья впервые опубликована: 3.08.2009, 7:15
Статья Константина Владимировича Анохина
|
