Методы физиологических исследований

Наряду с ответом на вопрос, почему животное действует, столь же важно понять, как оно действует. Рефлекторная теория, предложенная Декартом в XVII в., оказала влияние на мышление физиологов и психологов и по-прежнему остается важной отправ-ной точкой современной нейрофизиологии. Основной поведенче-ский репертуар жестко заложен в определенных нервных сетях, которые связывают определенную реакцию (безусловную реакцию - БР) с определенным стимулом (безусловный стимул - БС). Эти врожденные (не приобретенные при обучении) реакции дополняются приобретенными (условными) реакциями на первоначально нейтральные стимулы, которые при повторяющихся со-четаниях с БР становятся условными стимулами (УС), т. е. сигналами пространственного и/или временного приближения БР (Павлов, 1927).

Если врожденное поведение отражает генетически закодиро-ванные реакции, приобретенные поколениями в процессе естественного отбора, то индивидуально приобретенное поведение связано с опытом, записанным в памяти организма. Последовательность внешних и/или внутренних событий, в которых участвует животное, может вызывать более или менее длительные изменения в его нервной системе, лежащие в основе ответной реакции на ранее неэффективные стимулы. Соответствующий процесс, на-зываемый обучением, ведет к накоплению опыта в форме следов памяти (энграммы), извлечение которых влияет на поведение животного. Навыки, которые более не соответствуют новым условиям, угашаются, а навыки, которые длительное время вообще не использовались, могут быть забыты.

Взаимодействие между организмом и окружающей средой может быть различным, чему соответствуют определенные формы поведения. Если ответное поведение состоит из реакций, выз-ванных дискретными стимулами, например болевыми, пищей, то оперантное поведение может быть стимулировано внутренними потребностями и состоять в спонтанном проявлении различных реакций, которые, в конечном счете, влекут за собой .желаемое изменение окружающей среды (например, получение доступа к пище).

Такие формы приобретенного поведения подчеркивают раз-личия между классическим и инструментальным обусловливанием: в первом случае УС, как правило, вызывает такую же реакцию, как и БС (слюновыделение, вызванное акустическим УС о предъ-явлении пищи). Наличие или отсутствие условного ответа, выработанного по классическому типу, не влияет на вероятность применения БС. Инструментальные реакции обычно существенно отличаются от соответствующих безусловных реакций, с помощью инструментальных реакций открывается доступ к привлекающим стимулам или, наоборот, животное избегает аверзивных стимулов (например, нажатие на рычаг, подкрепляемое подачей пищи, избегание болевых стимулов прыжком). Как правило, инструментальное обусловливание влияет на двигательные реакции скелетных мышц, тогда как классическое обусловливание ограничивается вегетативными функциями, выполняемыми висцеральными мышцами и железами. Однако в этом правиле много исключений.

В традиционной психологии «стимул-реакция» (например, как это предлагает Скиннер (Skinner, 1938)) поведенческий анализ состоит в установлении системы правил, связывающих условия входа (стимулы) с состояниями выхода (реакции). Таким образом, не учитываются предполагаемые в нервных центрах процессы или гипотетические механизмы концептуального мозга. Хотя подход, в котором используется гипотеза «черного ящика», способствовал значительному вкладу в наше понимание роли окружающей среды в управлении поведением, применение его лишь незначительно расширило сведения о внутренней структуре и функции этого «черного ящика», т. е. о мозге, как о преобразователе или опосредующем органе между входом и выходом. Последнее и является областью исследований специалистов - физиологов и психологов и сферой различных специальных дисциплин (нейрофизиологии, фармакологии, нейрохимии), которые вхо-дят в комплекс нейронаук. В нейрофизиологии достигнуты значи-тельные успехи в области анализа простых безусловных рефлексов спинного мозга. Понимание рефлекса растяжения или сгибания настолько детализировано, что можно точно проследить распространение афферентного потока импульсов от дорзальных корешков в спинном мозге вплоть до образования эфферентного залпа в вентральных корешках. Понятие условного рефлекса (УР), введенное Павловым, позволяет применить тот же аналитический подход к классическим условным рефлексам. Однако даже самые простые УР пока не дают возможность обнаружить решающее пластическое звено, ответственное за переключение потока УС на путь БР. Столь же не ясны и нейронные механизмы, участвующие в оперантном обуславливании (инструментальных условных рефлексах).

Основными методами исследования нервных механизмов по-ведения являются удаление, стимуляция, электрическая регистрация и химический анализ. Например:

(A) Расположение нервных структур, отвечающих за опре-деленное поведение, может быть установлено путем максимального удаления участков мозга, при котором это поведение сохраняется, и/или путем минимального удаления, при котором оно исчезает. Той же цели может служить и функциональная блокада нервных центров.

(Б) Нервный субстрат реакции можно проанализировать путем нахождения области и оптимальных параметров электрической и химической ее стимуляции, вызывающих такую же реакцию.

(B) Электрическая активность, сопровождающая поведенческий акт, может отражать процессы, важные для его реализации. Электрофизиологические методы могут использоваться для выявления распространения афферентных импульсов в мозге, активности, предшествующей возникновению внешней реакции, или для соотнесения вероятности и/или величины поведенческой и электрической реакции.

(Г) Активация и возможная модификация нервных цепей, вызванная обучением, может отражаться в локальных изменениях метаболизма медиаторов, нуклеиновых кислот и белков.

Нейрофизиологическое исследование направлено на учет ди-намики поведения и пространственно-временной организации активности головного мозга. Приобретение нового опыта, ведущего к образованию энграммы (обучение), может осуществляться с участием нервных сетей, отличных от тех, которые участвуют в последующем воспроизведении зафиксированного опыта. Место накопления информации может быть точкой конвергенции отдель-ных механизмов записи и считывания. Эффективность приобрете-ния опыта и воспроизведения его зависит от таких факторов, как уровень бодрствования, мотивации и эмоции. Все эти переменные должны учитываться при объяснении изменений поведения, вы-званных стимуляцией и разрушением, и объяснении соотношения между поведенческими, электрическими или биохимическими сдвигами. Очень трудно отличить специфические механизмы, общие для целого класса реакций (например, аппетентные и аверзивные).

Общее описание нервных структур, участвующих в различных формах поведения, - необходимое условие для подробного исследования клеточных и молекулярных изменений, лежащих в основе пластических перестроек нервных сетей. Имеющиеся электрофизиологические, нейрохимические и морфологические микрометоды полностью отвечают такому требованию при условии их примене-ния в соответствующее время и в существенно важных звеньях. Создание подходящей поведенческой модели, пригодной для эффективного применения микрометодов, является предпосылкой дальнейших быстрых успехов. А пока исследования концентрируются на функциональной организации нервных сетей, участвую-щих в различных процессах, таких, как обработка сенсорных сигналов, мотивация, образование следов памяти, местонахождение энграммы и т. д.

Планирование экспериментов

Для планирования опытов необходимо знать принципы и тактику исследования, научного подхода, которые лучше всего формиру-ются при непосредственном осуществлении опытов. Данная книга - практическое руководство к проведению опытов. При этом предполагается, что читатель знаком с основными принципами статистики. Вводные практические советы по проведению опытов по физиологии поведения можно найти у Сидовски и Локарда (Sidowski and Lockard, 1966) и Вейнера (Wayner, 1971). Ниже приводится краткое описание, цель которого сориентировать студентов на некоторые сложные проблемы, связанные с планирова-нием опытов и их проведением.

Преимущество лабораторного изучения перед натуралистиче-ским наблюдением заключается в том, что исследователь может контролировать условия опыта, т. е. устанавливать точный контроль за так называемыми независимыми переменными, чтобы выявить их влияние на зависимые переменные. Зависимыми переменными в физиологической психологии могут быть любые по-веденческие или физиологические характеристики, тогда как независимые переменные - это условия, которые контролируются экспериментатором и иногда навязываются организму. Под условиями подразумевают прямое вмешательство (удаление отделов головного мозга, его стимуляция или применение различных препаратов), изменение окружающей среды (температуры и освещенности), изменение режима подкрепления, сложность зад-ний по обучению, длительность пищевой депривации или такие факторы, как возраст, пол, генетическая линия и т. д.

Чтобы свести до минимума неправильное толкование опытов, связанное со сложностью отличить эффекты экспериментальных вмешательств от воздействий других переменных, необходимо ввести контрольные процедуры. Так, например, при тестировании эффективности определенной процедуры (независимая переменная) используется контрольная группа. В идеальном варианте контрольную группу исследуют так же, как и экспериментальную, исключая воздействие изучаемого фактора, ради которого и намечается сам эксперимент. Одно и то же животное можно использовать и в контроле, и в эксперименте, если, например, необходимо сравнить поведение его до и после удаления отделов головного мозга. Другая обычная контрольная процедура, цель которой состоит в уменьшении одновременного влияния переменных факторов, - это сбалансированное применение разных влияний на одном и том же животном (например, инъекции различных препаратов или различных доз одного и того же препарата). Еще одним важным моментом контроля является произвольное распределение животных по различным группам. Это лучше всего осуществлять с помощью таблицы случайных чисел, которая приводится во многих книгах по статистики (простой отлов животных из клетки для формирования группы не является адекваным, так как самые слабые или пассивные животные будут отловлены в первую очередь).

Из-за возможных ошибок или вариабельности получаемых результатов, вызванных неконтролируемыми переменными, измерения обычно повторяют и выявляют среднюю или медианную величину. При повторных измерениях проводят множественные наблюдения за теми же животными или же одно наблюдение за многими животными, или же и то и другое вместе. Чем больше вероятность ошибок или колебаний, связанных с некоторыми неизвестными или неконтролируемыми переменными, тем больше вероятность того, что повторные измерения будут отличаться и, таким образом, вариабельность измерений относительно средней величины будет выше. Статистический анализ обычно используется для оценки степени достоверности наблюдаемых различий между экспериментальными и контрольными группами или условиями опыта. Например, различие между двумя средними тради-ционно считается значимым (т. е. не случайным), когда вероятность того, что различие на самом деле является истинным, до-стигается не менее чем в 95 случаях из 100.

Научный анализ, основывающийся на натуралистических наблюдениях или на лабораторных опытах, опирается на измерения, с помощью которых наблюдениям придается количественный ха-рактер. От так называемого уровня измерения зависит, какие арифметические операции могут быть применены к числам, что, следовательно, и обусловливает использование соответствующих статистических методов. Исследователь должен учитывать уро-вень измерений и предвидеть природу статистической обработки результатов уже при планировании опытов, так как эти сообра-жения помогут решить вопрос о точности измерительных приборов и требуемом количестве опытов.

Необходимо различать четыре общих уровня измерения или оценки: номинальный, ординарный, интервальный и соотноситель-ный. Низшим уровнем является номинальный, где такие символы, как буквы или цифры, используются просто для классификации объектов или явлений. В этом случае количество измерений, по-падающих в различные классы в условиях эксперимента и контроля, сравниваются с использованием биномиальной статистики. Если возможно упорядочить наблюдения так, чтобы они находи-лись в каких-то отношениях один к другому (например, «больше чем», «меньше чем» и т. д.), то будем иметь дело с ординарной шкалой. Если, кроме того, можно обнаружить интервалы между числами на такой шкале, то будем иметь дело с интервальной шкалой, которая имеет произвольную нулевую точку (как в случае температурной шкалы). Если же шкала имеет еще и истинную нулевую точку в начале, как, например, шкалы высоты, массы, то будет достигнут наивысший уровень измерения, т. е. соотносительная шкала. Параметры, измеряемые с помощью номикалькой или ординарной шкалы, обрабатываются с применением непараметрической статистики (например, ч2-есты (Connover, 1971; Siegel, 1956)), тогда как данные, измеряемые по интервальной и соотносительной шкале, как правило, обрабатываются с помощью параметрических статистических методов (например, t-тесты) (если различные предположения о параметрах популя-ции, из которой взят пример, соответствуют данным). Параметры популяции, подвергаемые непараметрическим статистическим процедурам, не обязательно должны соответствовать определенным условиям, например нормальному распределению. Поэтому эти процедуры широко используются в опытах по физиологической психологии, где измерения, как правило, проводятся па ординарном уровне и объем выборки часто является небольшим. В план проведения опытов, описанных в этой книге, включено сопоставление экспериментальных и контрольных данных. Для таких данных, полученных из независимых событий, полезной непараметрической статистикой является U-гест Манна - Уитни. При использовании другой схемы опытов животное служит контролем самого себя, как в случае сравнения поведения до и после введения препарата и при удалении отделов головного мозга. Стандартной непараметрической оценкой для таких данных, полученных при наличии связанных событий, является критерий для сопряженных пар знаковых рангов Вилкоксона (Siegel, 1956). Кроме того, непараметрические методы используются для анализа данных, полученных в повторных текстах, по результатам которых и строят кривые обучения и кривые реактивности (Krauth, 1980).

В этой книге в качестве подопытных животных для большей части экспериментов используют крыс. Для подробного ознакомления с общими лабораторными процедурами, включая уход за животными и обращение с ними, в особенности с крысами, читателям рекомендуем обратиться к работам Бейкера с сотрудниками (Baker et al., 1979), Ферриса (Harris, 1957), Гудмана и Гилмана (Goodman and Oilman, 1975), Лейн-Петтера с сотрудниками (Lane-Petter et al., 1967), Леонарда (Leonard, 1968), Майерса (Myers, 1971 а), Манна (Munn, 1950) и Шорта и Вуднотта (Short

and Woodnott, 1969).

В поведенческих исследованиях чаще всего используют такие линии крыс, как капюшонные линии Лонг-Эванса; белые линии Спраг-Доули и Вистар. В целях получения и сопоставления результатов желательно применять стандартные линии. Однако степень универсальности результатов может зависеть от использо-вания нескольких линий (а также видов).

Для проведения опытов на животных необходимо содержать их в чистоте, удобстве и обезопасить от болезней. Этого можно достичь, руководствуясь подробно разработанными стандартами размещения, кормления, гигиены, постоперационного ухода (см. приведенные выше ссылки) и зная обычные заболевания живот-ных (Myers, 1971 a; Short and Woodnott, 1969).

Большая часть поведенческих опытов вызывает дискомфорт у животных, независимо от того, вызван ли он пищевой деприва-цией, использованием центральной или периферической аверсив-ной стимуляции, введением препаратов или просто поднятием животного в воздух. Экспериментатор должен постоянно помнить об этом и стараться по возможности уменьшить дискомфорт подопытного животного.

Ниже приводятся рекомендации для проведения опытов на животных, которые составляют один из разделов «Принципов использования животных» в «Руководстве к дотациям и контрактам Национального института здравоохранения США» от 1978 г.:

«1. Опыты, в которых используются живые позвоночные и ткани живых организмов для проведения исследований, должны выполняться под контролем квалифицированных ученых-биологов, физиологов или медиков.

2. Размещение, уход и кормление всех экспериментальных животных должны находиться под контролем квалифицированного ветеринара или другого ученого, компетентного в данных вопросах.

3. Исследование по своему характеру должно дать полезные результаты на благо общества и не должно быть случайным и бесполезным.

4. Эксперимент должен опираться на знание исследуемой болезни или проблемы и планироваться так, чтобы ожидаемые результаты оправдывали его проведение.

5. Статистический анализ, математические модели или биологические системы in vitro должны использоваться, если они соответственно дополняют результаты опытов на животных и позволяют сократить число используемых животных.

6. Опыты должны проводиться так, чтобы не подвергать животное ненужным страданиям и не наносить ему вреда.

7. Ученый, отвечающий за опыт, должен быть готов прекратить его, если он/она считает, что продолжение опыта может вызвать ненужное увечье или страдание животных.

8. Если сам опыт вызывает больше дискомфорта у животного, чем наркоз, то необходимо довести животное (путем применения наркоза) до состояния, когда оно не воспринимает боль, и поддерживать это состояние до тех пор, пока опыт или процедура не будут завершены. Исключение составляют только те случаи, когда наркоз может повредить цели опыта, а данные нельзя получить никаким иным способом, кроме как проведением подобных опытов. Такие процедуры должны тщательно контролироваться руководством или другим квалифицированным старшим сотрудником.

9. Постэкспериментальный уход за животным должен свести до минимума дискомфорт и последствия травмы, нанесенной животным в результате опыта, в соответствии с принятой практикой ветеринарной медицины.

10. Если необходимо умертвить экспериментальное животное, то это дела-ют так, чтобы достичь мгновенной гибели. Ни одно животное не должно быть уничтожено до тех пор, пока не наступит его смерть».

Почти во всех случаях поведенческого и нейрологического тестирования, которые описаны в последующих главах, необходимо брать животных в руки. Животное нужно приучать к этой процедуре на протяжении нескольких дней перед началом опыта. Такое обращение предполагает доставание животного рукой из клетки, помещение его на стол, осторожное поглаживание и перенесение с одного места на другое. Со временем животные перестают сопротивляться таким процедурам, если их осуществлять бережно.

Не держите животное за хвост и старайтесь не прихватить кожу и сильно не надавливать на животное. Лучше брать животное сзади под лопатки, подводя большой палец под одну переднюю конечность, а остальные пальцы - под вторую конечность. Сила захвата животного должна соответствовать сте-пени его сопротивления. Если животное держать так, чтобы его передние конечности перекрещивались, то оно не сможет укусить.

При частом взятии на руки лабораторные крысы становятся довольно ручными и ими легко управлять. Для введения препаратов желательно использовать помощника, при этом вторую ру-ку экспериментатор использует для вытягивания задних конечностей животного. При достаточной практике внутрибрюшинные инъекции можно производить самостоятельно, путем захвата зад-них конечностей крысы и одновременного инъецирования ее другой рукой.

Перед инъекцией полезно успокоить животное; для этого нужно захватить животное так, как это описано выше, и затем медленно раскачивать его вперед и назад по широкой дуге.

Обычным методом маркировки крыс является нанесение на уши животного прорезей или отверстий, пока оно находится под наркозом. Уши животного тонкие и не очень кровоточат. Предпочтительным является метод маркировки тела и хвоста каким-либо биологическим красителем, например желтой пикриновой кислотой или красным карбофуксином. Такая бинарная система позволяет осуществить индивидуальное кодирование 63 крыс. (Если исполь-зуете несколько крыс, то кодируйте их только четными числами, так как это уменьшает число необходимых отверстий или меток.)

АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ

Успехи современной физиологии в изучении функций целостного организма, его систем, органов, тканей и клеток во многом обусловлены широким внедрением в практику физиологического эксперимента электронной техники, анализирующих устройств и электрон-ных вычислительных машин, а также биохимических и фармакологических методов исследования. В последние годы в физиологии качественные методы дополняют количественными, что позволяет определять изучаемые параметры различных функций в соответствующих единицах измерения. Совместно с физиологами в разработке новых методических подходов участвуют физики, математики, инже-неры и другие специалисты.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6