Подготовительный пищевой безусловный рефлекс - интегративная деятельность мозга
ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЙ ПИЩЕВОЙ БЕЗУСЛОВНЫЙ РЕФЛЕКС (ГОЛОД)
Проанализировав примеры исполнительных безусловных рефлексов на привлекающий, отвергаемый и индифферентный раздражители, мы обсудим теперь подготовительные безусловные рефлексы. Начнем опять с сохранительного рефлекса, взяв в качестве примера подготовительную фазу пищевого рефлекса.
Общепризнано, что подготовительная активность, ведущая к исполнительному пищевому рефлексу, регулируется голодом. С физиологической точки зрения голод можно считать некоторым определенным паттерном центральных нервных процессов, которые проявляются рядом отдельных актов, направленных на добывание пищи, и прекращаются, когда животное наедается досыта. Это конечное состояние в противоположность голоду называют насыщением.
Согласно нашему определению, понятие «голод» не идентично ни голоданию, т. е. простому лишению пищи на какое-то время, ни физиологической потребности в пище, проявляющейся внешними симптомами голодания. Это скорее регулирующий механизм особой рефлекторной активности, которую мы будем называть рефлексом голода. Наша непосредственная задача — выявить те раздражители, которые вызывают голод и соответствующие реакции на них. Затем мы рассмотрим центральный механизм рефлекса голода. В этой главе говорится лишь о безусловном рефлексе голода.
Вопрос о том, какие раздражители вызывают безусловный рефлекс голода, совсем не прост, потому что голод, как мы увидим позднее, может быть вызван рядом факторов, действующих либо по отдельности, либо—что значительно чаще — в разнообразных комбинациях. Поэтому нельзя отбросить какой-либо из предполагаемых факторов на том лишь основании, что сам по себе один этот фактор голода не вызывал. Отсюда весьма маловероятна и любая «монистическая» теория голода.
Во-первых, проявление голода зависит в большой степени и от времени, прошедшего с последнего приема пищи, и от количества этой пищи. Поэтому голод можно объяснить либо поступлением в мозг информации от интерорецепторов пищеварительного тракта, либо изменением состава крови, омывающей нейроны соответствующих центров, либо тем и другим одновременно.
В своем подробном исследовании по проблеме голода Кэннон [19] показал, что чувство голода не связано с отсутствием пищи в желудке. Приходится, однако, отбросить и его собственную концепцию, трактующую о том, что голод якобы обусловлен афферентными импульсами, оповещающими мозг о сокращениях пустого желудка- дело в том, что ни ваготомия, которая полностью снимает эти сокращения [20], ни удаление всего желудка не влияют на рефлекс голода. Отмеченную Кэнноном непосредственную связь «голодных» сокращений желудка с чувством голода можно объяснить тем, что эти сокращения представляют собой следствие рефлекса голода, а не его причину. Однако, поскольку эти сокращения появляются в тех случаях, когда желудок пуст, и исчезают при его наполнении и поскольку растяжение стенок желудка — это фактор, вызывающий насыщение, можно признать, что отсутствие пищи в желудке — это один из факторов, участвующих в возникновении рефлекса голода.
Значение состава крови как фактора, вызывающего голод, лучше документировано экспериментально. Была предложена глюкостатическая теория голода, согласно которой голод зависит от содержания глюкозы в крови или, точнее, от ее утилизации, измеряемой артерио-венозной разницей [21, 22].
Являются ли глюкорецепторы единственными хеморецепторами центральной нервней системы, сигнализирующими о голоде, или в крови присутствуют и другие проникающие через гематоэнцефалический барьер вещества, которые определяют уровень голода?
Известно, что чувство голода у животных и у людей весьма избирательно- голод вовсе не означает потребность в любой пище, а только в совершенно определенных видах пищи- все другие виды пищи при этом могут полностью игнорироваться. Хотя такая избирательность может зависеть и от других факторов (обсуждаемых ниже), несомненно, что определенные виды голода вызываются гуморальными факторами, т. е. относительной недостаточностью отдельных пищевых веществ (таких, как белки, соли и другие) [23]. Тягу к определенному виду пищи и предпочтение этого вида другим можно наблюдать у людей, которые долгое время находились на ограниченном рационе либо по болезни, либо из-за неблагоприятных условий жизни, а также при особых пищевых потребностях (например, при беременности). Такой избирательный голод можно объяснить только тем, что специфическая недостаточность вызывает специфический голод. В пользу этой точки зрения свидетельствует также тот факт, что введение инсулина вызывает не голод вообще, а только тягу к сладкому. Следовательно, афферентная часть системы голода представляет собой весьма дифференцированное хеморецептивное поле, в котором «рецепторы» разных видов (возможно, анатомически и смешанные) реагируют на определенные молекулы.
Признавая важную роль перечисленных гуморальных факторов в возникновении рефлекса голода, следует, однако, твердо помнить, что не только они порождают этот рефлекс. Отложив рассмотрение факторов, вызывающих голод условнорефлекторным путем (гл. VI), мы остановимся здесь только на тех раздражителях, которые можно отнести к категории безусловных. Наиболее известный из таких раздражителей — небольшая порция пищи, предложенная субъекту, который еще не совсем сыт.
Проводится такой опыт. Собака хорошо приучена к экспериментальной камере, где ее оставляют на долгое время, но не кормят. Собака спокойна, и ничто в ее поведении не указывает на голод. Но стоит дать, ей немного вкусной пищи, как ее поведение резко меняется. Сразу же, как только она проглотит кусок, у нее проявляется сильный рефлекс голода, длящийся несколько минут.
Сходную картину можно наблюдать и у людей. Нередко человек в привычное время садится за стол, совсем не ощущая голода (либо потому, что он незадолго перед этим что-нибудь съел, либо потому, что он в последний раз поел слишком плотно). Стоит, однако, ему отведать какого-нибудь вкусного блюда, и голод мгновенно пробуждается. Недаром говорят: «Аппетит приходит во время еды».
Итак, при отсутствии полного насыщения кратковременно действующий вкусовой раздражитель, стимулирующий исполнительный пищевой рефлекс, сразу же вызывает безусловный рефлекс голода.
Дальнейший анализ показывает, что голод, вызванный небольшой порцией пищи, носит избирательный характер — отмечается тяга именно к той пище, какая была предъявлена. Понаблюдайте за собой, когда вы едите орехи: съев один орех, вы тут же тянетесь за следующим. В эксперименте этот факт проверяли так [24]. Собаку обучили выполнять два различных движения: одно, чтобы достать хлеб, другое— воду из тон же чашки. Сытая, но испытывающая жажду собака выполняет движения, направленные на получение воды. Если собака не хочет пить, но голодна, она осуществляет те движения, которые позволяют ей получить хлеб. Если же она и голодна и хочет пить, то она производит эти движения попеременно правильными длинными сериями. Иными словами, если собака начала «работать на пищу», она продолжает делать это какое-то время, затем, после некоторой нерешительности, она переключается на воду, и наоборот. Показывая собаке попеременно то пищу, то воду, можно безошибочно «переключать» ее то на один, то на другой вид деятельности. Такое же переключение происходило и в том случае, если после движения «на пищу» вместо пищи предлагалась вода, и наоборот. Подобная картина наблюдалась в опытах Вырвицкой на кроликах с двумя инструментальными актами, соответствующими двум различным видам пищи*.
* Нам могут возразить, что сказанному совершенно противоречит обычная для человека манера еды. В наше меню входит, как правило, ряд достаточно сложных блюд (правда, блюда эти подбираются в надлежащих сочетаниях, и в этом смысле напоминают скорее фугу или аккорды, чем отдельные тона). Однако и здесь можно проследить принцип избирательности аппетита- он выражается в последовательном чередовании блюд. Вряд ли человек согласился бы есть по одному глотку от нескольких разных блюд.
Голод, вызванный предъявлением пищи, играет исключительно важную роль в естественной жизни животных и человека и имеет прямое отношение к тому, что мы называем аппетитом.
Рассматривая роль вкуса пищи в исполнительных рефлексах, мы не касались значения привлекательности пищи именно с этой, вкусовой, стороны. Однако при обсуждении проблемы голода вкусовой аспект очень важен. Вообще говоря, чем сильнее тяга к какой-то определенной Пище, тем большее удовольствие она доставляет, а самый интенсивный голод наступает в момент, когда порция проглочена.
Аналогично этому, когда в опыте хлеб заменяют мясом, собака сразу же оживляется и голод ее резко усиливается.
В заключение попытаемся ответить на вопрос: существуют ли другие (не вкусовые) безусловные раздражители, способные вызвать рефлекс голода? Хотя прямых данных для ответа на этот вопрос нет, можно предположить, что к этой группе раздражителей, по крайней мере у некоторых видов животных, относится запах пищи. В старых опытах Цитовича [25] было показано, что щенки, которые до некоторого возраста питались одним молоком, почуяв впервые запах мяса, отнюдь не остались к нему безразличными: он их буквально «притягивал», они норовили схватить кусок (вид мяса подобную реакцию не вызывал). Каустан показал, что в пищевом поведении новорожденных животных исключительно важную роль играет запах сосков [26].
Вполне возможно, что у отдельных видов животных рефлекс голода, подобно некоторым видам подготовительной защитной активности, может быть связан и с другими экстероцептивными раздражителями (например, зрительными).
Условимся называть голод, вызванный вкусом пищи, ее запахом или другими экстероцептивными раздражителями (как безусловными, так и условными), аппетитом, а голод, вызванный исключительно гуморальными факторами, воздействующими непосредственно на хеморецепторы, — гуморальным голодом. Следует подчеркнуть, что и те и другие факторы, порождающие голод, обычно действуют совместно при относительном преобладании каких-то одних.
Обратимся теперь к рассмотрению тех эффектов, к которым приводит голод. Прежде всего бросается в глаза общее двигательное беспокойство. Этот эффект наблюдается у всех лабораторных животных (мышей, крыс, кошек, кроликов, собак и обезьян).
Его легко наблюдать в зоопарках, когда наступает время кормления зверей. Взрослый человек обычно подавляет двигательное беспокойство, вызванное голодом- ребенок же заявляет о своем голоде во весь голос. Вокализация — обычный симптом голода и у животных.
Внимательно наблюдая за двигательным беспокойством голодного животного, легко заметить, что оно не носит характер гиперкинеза (хаотических сокращений мышц)- это скорее повышенная активность, состоящая из ряда поведенческих актов, свойственных данному виду и следующих один за другим в определенном порядке. Поскольку, как мы увидим ниже, есть основания полагать, что в мозгу существует некая общая система «программирования» поведенческих актов, можно допустить, что действие голода состоит в облегчении и мобилизации этой системы. Исходя из этого, мы назовем такое состояние беспокойства активацией моторной поведенческой системы.
С общим повышением двигательной активности согласуется и наблюдаемая при голоде повышенная эффективность всей двигательной системы вообще и жевательных мышц в частности. Движимые голодом, дикие звери способны на колоссальное напряжение физических сил. Здесь уместно привести опыты Хананашвили [27], который обучал собак прыгать через высокий барьер. Он отмечал, что способность брать барьер зависела от степени голода. Если голод был несильный, а приманкой служил хлеб, прыжок, как правило, не удавался- голодная собака, почуявшая запах мяса, с легкостью брала то же препятствие.
Хотя у большинства животных, используемых в поведенческих опытах, так же как и у людей, подготовительная пищевая активность, регулируемая голодом, формируется в соответствии с индивидуальным опытом, в отдельных случаях можно наблюдать наследуемые, стабильные формы этого поведения. Охотничий инстинкт хищников (подкрадывание, нападение и т. д.) —типичный пример такого поведения.
В связи с этим возникает вопрос: к какому виду активности следует отнести акт захватывания пищи, вызываемый ее видом или запахом, — к безусловным рефлексам или к условным, приобретенным на самых ранних этапах жизни, под влиянием опыта?
Без специального исследования ответить на этот вопрос трудно. У тех птиц, которые, едва вылупившись из яйца, начинают долбить клювом все мелкие предметы подряд, эта реакция несомненно врожденная- опыт же лишь формирует способность различать предметы. Многочисленные наблюдения Слонима и др. [28] на млекопитающих позволяют предположить, что рассматриваемый акт является смешанным по своему характеру, причем у разных видов превалирует либо врожденный, либо приобретенный его компонент.
Другое проявление безусловного рефлекса голода — активация определенных афферентных систем, т. е. повышение внимания к раздражителям различных модальностей. Несомненно, что голод резко повышает возбудимость вкусового и обонятельного анализаторов.
Голодное животное сразу же реагирует даже на очень слабые запахи, которые оно оставило бы без внимания, будучи в состоянии насыщения. Кроме того, есть все основания полагать, что у животных, у которых при поиске пищи доминирующую роль играют зрительные или слуховые восприятия, рефлекс голода вызывает активацию зрительного или слухового анализатора или того и другого одновременно.
Если оба эффекта голода — активация системы двигательного поведения и активация афферентных систем — хорошо известны из общих наблюдений над животными и людьми, а также на основании той роли, которую они играют в опытах по обучению, то наши знания о влиянии голода на вегетативную систему, к сожалению, весьма скудны. Единственный твердо установленный факт, касающийся данной области, — это так называемые «голодные спазмы» желудка, которые наблюдались и у людей (с желудочной фистулой) и у животных. Эти медленные сокращения охватывают весь желудок и по мере усиления голода возрастают по частоте и продолжительности. Другие пищевые вегетативные реакции — слюноотделение и секреция желудочного сока — это компоненты исполнительного пищевого рефлекса и несомненно порождаются не голодом как таковым (см. гл. IX).
Можно поставить вопрос в такой форме: каков общий характер вегетативных сдвигов, вызываемых голодом? Особенно важно узнать, какой из компонентов вегетативной системы превалирует при голоде — симпатическим или парасимпатический, или они остаются в равновесии?
К сожалению, у нас нет данных для прямого ответа на эти важные вопросы. Однако тот факт, что голод сопровождается повышением общей двигательной активности и усилением мышечной эффективности, позволяет думать, что при голоде повышен симпатический тонус. Если это предположение получит в дальнейшем подтверждение в эксперименте, то придется признать, вопреки Гессу, что сохранительная активность не обязательно трофотропна.
Кратко обсудив афферентные и эфферентные аспекты безусловного рефлекса голода, перейдем к рассмотрению его центрального механизма. Еще совсем недавно об этом механизме мы могли лишь строить догадки, опираясь на данные, полученные методом «вход—выход». В последние годы положение коренным образом изменилось. Теперь с помощью электрического раздражения различных областей мозга у бодрствующих животных, а также путем выключения соответствующих участков мозга можно выявить те области, которые имеют отношение к регуляции рефлекса голода и непосредственно изучить их функциональные особенности.
Мы не будем излагать здесь подробно накопленные в данной области факты и входить в детали всех существующих по этому поводу разногласий. Нам хотелось бы лишь изложить вкратце наиболее обоснованные обобщения, которые позволяют нам понять природу функционального механизма подготовительной пищевой активности.
Огромное количество данных показывает, что подготовительная пищевая активность регулируется двумя реципрокно связанными подсистемами: одну назовем подсистемой голода, другую — подсистемой насыщения.
Нижний уровень обеих подсистем представлен в гипоталамусе, причем центр голода лежит в латеральном ядре, а центр насыщения — в вентромедиальном.
Раздражение латерального гипоталамуса вызывает типичную картину голода, что особенно демонстративно у заранее досыта накормленных животных.
Коза — удобный объект для такого наблюдения [29]. Сытая коза спокойна и апатична — лежит и дремлет. При раздражении латерального гипоталамуса у такого животного появляется двигательное беспокойство, которое явно усиливается с увеличением силы раздражителя.
Появляется поведение поискового типа- животное осматривается, пытается вскарабкаться на стенку загона, хватает за одежду стоящих поблизости людей. Если в этот момент козе предлагают пищу, она буквально набрасывается на нее, оставаясь на время еды спокойной, но стоит убрать корм, вновь проявляет беспокойство. Прекращение раздражения возвращает животное в исходное состояние апатии.
Совсем другую картину можно вызвать, раздражая гипоталамический центр насыщения у заранее ненакормленного животного: коза становится апатичной, перестает есть- обычно она отворачивается от пищи и ложится. По прекращении раздражения животное сразу же возвращается к еде, причем ест более жадно — своеобразный феномен «отдачи» [30].
Разрушение соответствующих областей гипоталамуса производилось главным образом в опытах на крысах- эти опыты оказались весьма иллюстративными. Повреждение латерального гипоталамуса вызывает сначала общую афагию, которая сразу же или позднее переходит в анорексию [31]. В этом состоянии животные принимают только очень вкусную пищу и отказываются от обычного лабораторного корма. Продолжительность периода восстановления в значительной мере зависит от степени повреждения мозга. Исполнительный пищевой рефлекс при этом сохраняется: если пищу положить животному в рот, то оно ее прожует и проглотит.
Повреждение вентромедиального гипоталамуса приводит к гиперфагии: животное ест несравненно больше, чем до операции, и если давать ему корм ad libitum, то оно значительно прибавит в весе. Затем постепенно количество поглощаемой пищи уменьшается и становится лишь немногим больше обычного- вес животного стабилизируется. Интересно, что тучные животные, подобно животным с гипофагией, становятся весьма разборчивыми в еде. Если к корму подмешать какой-то «наполнитель», то такие животные вообще перестают есть, тогда как здоровые животные в такой ситуации съедают больше. Эти животные отказываются от корма и в случае добавления к нему небольшого количества хинина, что для нормальных животных остается незамеченным. Если же пищу приправить декстрозой, то животное с вентромедиальным повреждением съедает значительно больше, а нормальная крыса, наоборот, даже меньше [32].
Высшие уровни подсистем голода и насыщения локализуются в лимбической системе мозга. Хотя локализация соответствующих центров точно не установлена, существование их в данной области подтверждается как опытами с разрушением, так и методом электрического раздражения. Так, разрушения базальнолатеральной части комплекса миндалины вызывают гиперфагию [33]. Раздражение тех же структур приводит к резкому уменьшению количества поглощаемой пищи, причем такое состояние продолжается довольно долго и может даже оставаться навсегда по отношению к той пище, которую давали во время раздражения [34]. Повреждение медиальной части миндалины вызывает афагию, переходящую в анорексию [35].
Какова организация всей подготовительной пищевой активности в целом? Конечно, наш ответ на этот вопрос надо считать сугубо предположительным.
Прежде всего следует выяснить, где локализуются интрацентральные хеморецепторы, регулирующие рефлексы голода на отдельные питательные вещества? По-видимому, весьма разумно предположить, что молекулы этих веществ непосредственно воздействуют на соответствующие хеморецепторы центра насыщения в гипоталамусе. Далее можно допустить, что нейроны центра насыщения посылают тормозные импульсы на строго определенные нейроны центра голода. Таким образом, совокупность нейронов в центре насыщения, возбуждаемая определенными молекулами, подавляет соответствующие нейроны центра голода, а недостаток этих молекул в межклеточной жидкости высвобождает данную часть центра голода от этого тормозного влияния (фиг. 2).
Существование этих взаимоотношений подтверждается теперь прямыми электрофизиологическими данными [36]. Однако из сказанного никак не следует, что гипоталамический центр голода (или подсистема голода в целом) полностью зависит от гуморальных факторов, действующих на центр насыщения. Во-первых, есть некоторые данные, указывающие на то, что пищевые вещества, в частности глюкоза, способны непосредственно подавлять центр голода [37].
Фиг. 2. Схема влияния центра насыщения на центр голода.
Кружками, треугольниками и квадратами обозначены различные молекулы питательных веществ. Предполагается, что они стимулируют соответствующие хеморецепторы центра насыщения (Нас). Нейроны этого центра посылают тормозные импульсы на соответствующие нейроны центра голода (Г). На схеме не изображено возможное прямое влияние молекул на центр голода.
Во-вторых, как мы уже упоминали, можно в эксперименте раздражать гипоталамический центр голода и заставлять таким образом сытое животное поглощать пищу. Стало быть, этот центр может приходить в состояние возбуждения, несмотря на тормозное влияние со стороны центра насыщения. В-третьих, относительная независимость подсистемы голода от подсистемы насыщения подтверждается и тем, что само по себе освобождение подсистемы голода от тормозных влияний со стороны центра насыщения еще не активирует ее. Имеются и другие сильнодействующие агенты (безусловные и условнорефлекторные), которые влияют на подсистему голода самостоятельно, независимо от гуморальных факторов. Мы отмечали ранее, что основной безусловный раздражитель, активирующий подсистему голода, — это прием небольшой порции пищи на фоне неполного насыщения. Другой агент, способствующий активации центра голода, — это пустой желудок. Растяжение стенок желудка пищей, наоборот, вызывает торможение центра голода. Торможение этого центра вызывается также повышением температуры тела и антагонистическими рефлексами (см. разд. 12). Механизм действия этих факторов на центр голода пока не ясен.
Итак, уровень голода в каждый отдельный момент времени является результатом сочетания всех этих положительных и отрицательных влияний.
Высший уровень подготовительной пищевой системы выполняет ассоциативную роль — при его участии формируются пищевые условные рефлексы (гл. VI). Мы полагаем, что каждый центр этого высшего уровня имеет двустороннюю связь с соответствующим центром нижнего уровня. По восходящим путям передаются импульсы, информирующие высшие центры о взаимоотношениях между голодом и насыщением на нижнем уровне- по нисходящим путям идут команды, которые корригируют и модулируют активность этих центров в соответствии с той конкретной
информацией о среде, в которой находится организм в данный момент, и его прошлым опытом. На фиг. 3 мы приводим блок-схему системы голод — насыщение с обозначением ее основных функциональных свойств.
Сказанное выше позволяет легко объяснить ряд экспериментальных фактов, относящихся к процессу питания у нормальных животных и животных с повреждениями мозга. Здесь мы рассмотрим только те явления, которые относятся к безусловным рефлексам- соответствующие условные рефлексы будут рассмотрены позже.
Фнг. 3. Упрощенная блок-схема системы голод (Г)-—насыщение (Нас).
I — нижний уровень системы- II — высший уровень системы. Сплошной стрелкой обозначаются возбуждающие пути, отрезком прямой — тормозные, пунктирной стрелкой — условнорефлекторные связи. В — действие вкуса- ВПД — последействие вкуса- Иит — иктероцептивные раздражители Гум — гуморальные раздражители- БРГ — безусловиорефлекториый раздражитель голода- УС — условный сигнал- ГС — голодные сокращения- ДА — двигательная активация. Сими — симпатический выход- ПА — перцептивная активация: ДР — двигательная релаксация: Пар — парасимпатический выход- И — индифферентность. Так как установлено, что голодные сокращения появляются после повреждения латерального гипоталамуса [72], то они могут также зависеть от нижней (вагусной) рефлекторной дуги, вероятно вовлекаемой в действие при раздражении желудка введенным в него баллоном.
У здоровых животных, находящихся в однообразной обстановке (крысы в клетках), поглощение пищи регулируется голодом, связанным с недостатком тех или иных пищевых веществ в крови, и аппетитом, который возникает под влиянием вкуса пищи. В норме гуморальный фактор оказывается вполне достаточным для возникновения рефлекса голода, и поэтому животное съедает значительное количество корма, даже если вкусовые качества последнего ухудшены добавлением каких-либо наполнителей. После повреждения гипоталамического центра голода у животного вначале возникает афагия, но постепенно восстанавливается нормальное состояние (возможно, потому, что центр разрушен не полностью). Однако, поскольку механизм голода нарушен, для возникновения рефлекса голода требуется более сильное раздражение, которое и обеспечивается вкусом пищи. Точно так же и в клинической практике, чтобы вызвать аппетит у больного, ему стараются давать более вкусную пищу.
Иная картина наблюдается при повреждении гипоталамического> центра насыщения. Такое повреждение приводит к двояким последствиям. Во-первых, разрушается главный (если не единственный) химический анализатор состава крови- в результате мозг перестает получать информацию о потребности организма в пищевых веществах, и «насыщение крови» перестает лимитировать объем потребляемой пищи. Но, поскольку механизм аппетита не затронут, он принимает на себя регуляторную функцию, причем с элиминацией механизма насыщения его
чувствительность, возможно, даже повышается. Несмотря на гиперфагию, такие животные становятся более «привередливыми», чем нормальные, поскольку их аппетит почти целиком зависит от вкусовых качеств пищи.
