Краткий обзор: обучение в мозге — это переустройство сведённой активности нейронных сетей через изменение силы и структуры синапсов, возбудимости нейронов и распределения воспоминаний между областями (системная консолидация). Ниже — ключевые механизмы и клеточные процессы, объяснённые компактно.
1) Правила изменения весов (синаптической силы)
- Хеббовский принцип: «кто вместе активен — связан». Упрощённо:
$\Delta w=\eta xy$,
где $x$ — входной сигнал, $y$ — выходная активация, $\eta$ — скорость обучения.
- STDP (временная зависимость): при лидерстве пресинаптического спайка укрепление, при обратном — ослабление:
$$\Delta w=\{\begin{array}{ll}{A}_{+}{e}^{-\Delta t/{\tau }_{+}},& \Delta t>0\\ -A_{-}{e}^{\Delta t/{\tau }_{-}},& \Delta t<0\end{array}$$ где $\Delta t=t_{\text{post}}-t_{\text{pre}}$.
- Стабилизация (нормализация): например Oja-регулировка для предотвращения неограниченного роста:
$\Delta w=\eta (xy-y^{2}w)$.
2) Молекулярные и клеточные триггеры LTP/LTD
- NMDA-рецепторы работают как детекторы совпадения: деполяризация + глутамат → удаление Mg${}^{2+}$ → Ca${}^{2+}$-вход.
- Вход Ca${}^{2+}$ определяет направление пластичности: высокий и быстрый подъём → LTP, умеренный/медленный → LTD.
- Ключевые ферменты/молекулы: CaMKII (автофосфорилируется и длительно активен), PKA, PKC, MAPK/ERK.
- Быстрые эффекты (E-LTP): перераспределение и вставка AMPA-рецепторов в постсинаптическую мембрану → повышение эффекта синапса.
- Для долговременного LTP (L-LTP) требуется транскрипция и синтез белка: активация CREB → транскрипция IEG (например, c-fos, Arc, zif268) → пластичность-зависимые белки (PRPs).
3) Синаптическая метка и «захват» белков» (synaptic tagging and capture)
- Синапс сначала получает «молекулярную метку» при локальной активации; если в течение окна времени в клетке синтезируются PRP, метка «захватывает» эти белки → стабилизация LTP на конкретных синапсах. Объясняет кооперативность и распределённость памяти.
4) Структурная пластичность
- Изменение формы и числа дендритных шипиков (actin-ремоделирование) — долгосрочный субстрат памяти.
- Регуляторы цитоскелета: Rho-группы GTPase (Rac, RhoA, Cdc42).
- Синаптогенез и прунинг пересматривают сеть на часах—днях—неделях.
5) Локальная трансляция и протеостаз
- Локальная экспрессия белков в дендритах/шипиках (местная трансляция мРНК) обеспечивает быстрый локальный синтез PRP.
- Поставляется баланс через убиквитин-протеасомную систему для удаления лишних белков.
6) Изменение возбудимости и ингибиции
- ПАМ (intrinsic plasticity): изменение порога спайкинга и ионных каналов (например, изменения K${}^{+}$ и Na${}^{+}$ каналов) влияет на вклад нейрона в сеть.
- Пластичность интернейронов (GABAergic) и изменение баланса возбуждения/торможения критичны для кодирования и стабильности.
7) Модуляторы и ассоциативность
- Допамин, норадреналин, ацетилхолин, BDNF и др. метят события как «важные», усиливая LTP и транскрипцию. Например, допамин необходимо для консолидации мотивационно значимых следов.
8) Системная консолидация и энграммы
- Короткие следы хранятся в гиппокампе, затем со временем (часы—дни—недели) перераспределяются в кору (системная консолидация) через повторную активацию/реплеи в ходе сна.
- «Энграмные» клетки — популяции, изменившие синаптические связи/экспрессию генов; искусственная активация таких клеток может вызывать воспоминание.
9) Временные масштабы (приблизительно)
- Пресинаптические/потоки кальция/спайки: $\sim 1$–$\sim 100$ мс.
- Кратковременная пластичность (STP): $\sim 10$ мс — $\sim 1$ мин.
- E-LTP (без синтеза белка): $\sim$ минут.
- L-LTP (с транс- и трансляцией, структурными изменениями): часы — дни.
- Системная консолидация: дни — месяцы.
10) Гомеостаз и метапластичность
- Сеть поддерживает стабильность через домашостаз (synaptic scaling) и метапластичность (изменение способности к пластичности в ответ на прошлую активность), чтобы избежать дестабилизации.
Краткий вывод: обучение — многоуровневый процесс: модуляция синаптических весов (STDP/Хебб), локальные молекулярные каскады (NMDA → Ca${}^{2+}$ → CaMKII/CREB), локальная трансляция и структурная перебудова шипиков дают долговременную память; модульные факторы (допамин, BDNF), гомеостаз и системная реплей/консолидация обеспечивают селективность, стабильность и распределение воспоминаний.