Невронауки - дистанционно обучение. Млади учени: неврологът Анатолий Бучин за калмарите, моделирането на мозъка и ежедневните ползи от неврологията Къде учат, за да станат невроучен?

Екология на съзнанието: живот. Абсолютно доказано е, че мозъкът ни е невероятно пластично нещо и индивидуалните тренировки му влияят сериозно – в много по-голяма степен от вродените предразположения.

В сравнение с малките на други животни можем да кажем, че човек се ражда с недоразвит мозък:масата му при новородено е само 30% от масата на мозъка на възрастен. Еволюционните биолози предполагат, че трябва да се родим преждевременно, за да може мозъкът ни да се развива чрез взаимодействие с околната среда. Научният журналист Ася Казанцева в лекцията „Защо мозъкът трябва да учи?“ в рамките на програма „Арт образование 17/18” говори тя

За учебния процес от гледна точка на невробиологията

и обясни как мозъкът се променя под влияние на опита, както и как сънят и мързелът са полезни по време на учене.

Който изучава феномена на ученето

С въпроса защо мозъкът трябва да учи се занимават поне две важни науки – невробиологията и експерименталната психология. Невробиологията, която изучава нервната система и какво се случва в мозъка на ниво неврони в момента на учене, най-често работи не с хора, а с плъхове, охлюви и червеи. Експерименталните психолози се опитват да разберат кои неща влияят върху способността за учене на човек: например те му дават важна задача, която тества паметта или способността му за учене, и виждат как той се справя с нея. Тези науки се развиват интензивно през последните години.

Ако погледнем ученето от гледна точка на експерименталната психология, полезно е да си припомним, че тази наука е наследник на бихевиоризма и бихевиористите вярваха, че мозъкът е черна кутия и по същество не се интересуваха какво се случва в него . Те възприемат мозъка като система, която може да бъде повлияна от стимули, след което в него се случва някаква магия и той реагира по определен начин на тези стимули. Бихейвиористите се интересуваха как може да изглежда тази реакция и какво може да й повлияе. Те вярваха в товаученето е промяна в поведението в резултат на усвояване на нова информация

Това определение все още се използва широко в когнитивната наука. Да речем, ако на студент му бъде даден Кант да чете и той си спомни, че има „звездно небе над главата му и морален закон в мен“, той изрече това на изпита и получи „А“, тогава ученето е настъпило .

От друга страна, същото определение важи и за поведението на морския заек (Aplysia). Невролозите често провеждат експерименти с това мекотело. Ако шокирате аплизия в опашката й, тя започва да се страхува от заобикалящата реалност и да прибира хрилете си в отговор на слаби стимули, от които не се е страхувала преди. По този начин тя също преживява промяна в поведението и ученето. Това определение може да се приложи към дори по-прости биологични системи. Нека си представим система от два неврона, свързани с един контакт. Ако му подадем два слаби токови импулса, неговата проводимост временно ще се промени и ще стане по-лесно за един неврон да изпраща сигнали към друг. Това също е обучение на нивото на тази малка биологична система. Така от ученето, което наблюдаваме във външната реалност, можем да изградим мост към това, което се случва в мозъка. Той съдържа неврони, чиито промени влияят върху реакцията ни към околната среда, т.е. обучението, което се е случило.

Как работи мозъкът

Но за да говорим за мозъка, трябва да имате основно разбиране за това как работи. В края на краищата всеки от нас има тези един и половина килограма нервна тъкан в главата си. Мозъкът се състои от 86 милиарда нервни клетки или неврони.Типичният неврон има клетъчно тяло с много процеси. Някои от процесите са дендрити, които събират информация и я предават на неврона. И един дълъг процес, аксонът, го предава на следващите клетки. Прехвърлянето на информация в рамките на една нервна клетка означава електрически импулс, който се движи по протежение на процеса, сякаш през жица. Един неврон комуникира с друг чрез точка на контакт, наречена „синапс“, сигналът преминава през химикали. Електрическият импулс води до освобождаване на невротрансмитерни молекули: серотонин, допамин, ендорфини. Те изтичат през синаптичната цепнатина, влияят на рецепторите на следващия неврон и той променя функционалното си състояние - например на мембраната му се отварят канали, през които започват да преминават йони на натрий, хлор, калций, калий и др. Това води към това, от своя страна, също се образува потенциална разлика върху него и електрическият сигнал отива по-нататък, до следващата клетка.

Но когато една клетка предава сигнал на друга клетка, това най-често не е достатъчно за забележими промени в поведението, тъй като един сигнал може да се появи и случайно поради някакви смущения в системата. За да обменят информация, клетките предават много сигнали една на друга. Основният кодиращ параметър в мозъка е честотата на импулсите: когато една клетка иска да предаде нещо на друга клетка, тя започва да изпраща стотици сигнали в секунда. Между другото, ранните изследователски механизми от 60-те и 70-те години генерират аудио сигнал. В мозъка на експериментално животно беше имплантиран електрод и по скоростта на автоматния шум, който се чуваше в лабораторията, можеше да се разбере колко активен е невронът.

Системата за импулсно честотно кодиране работи на различни нива на предаване на информация - дори на ниво обикновени визуални сигнали. На нашата ретина имаме конуси, които реагират на различни дължини на вълните: къси (в училищните учебници те се наричат сини), средни (зелени) и дълги (червени). Когато определена дължина на вълната на светлината навлезе в ретината, различните колбички се възбуждат в различна степен. И ако вълната е дълга, тогава червеният конус започва интензивно да изпраща сигнал до мозъка, така че да разберете, че цветът е червен. Тук обаче всичко не е толкова просто: спектърът на чувствителност на конусите се припокрива, а зеленият също се преструва, че е видял нещо подобно. Тогава мозъкът анализира това сам.

Как мозъкът взема решения

Принципи, подобни на тези, използвани в съвременните механични изследвания и експерименти върху животни с имплантирани електроди, могат да бъдат приложени към много по-сложни поведенчески действия. Например в мозъка има така наречения център на удоволствието - nucleus accumbens. Колкото по-активна е тази зона, толкова повече субектът харесва това, което вижда, и толкова по-голяма е вероятността той да иска да го купи или, например, да го изяде. Експериментите с томограф показват, че въз основа на определена активност на nucleus accumbens, дори преди човек да изрази решението си, да речем, относно закупуването на блуза, може да се каже дали ще я купи или не. Както казва отличният невролог Василий Ключаров, ние правим всичко, за да угодим на нашите неврони в nucleus accumbens.

Трудността е, че в нашия мозък няма единство в преценката; всеки отдел може да има собствено мнение за това, което се случва. Историята, подобна на конусовидните спори в ретината, се повтаря с по-сложни неща. Да кажем, че сте видели блуза, харесали сте я и nucleus accumbens излъчва сигнали. От друга страна, тази блуза струва 9 хиляди рубли, а заплатата е още една седмица - и тогава вашата амигдала, или амигдала (центърът, свързан предимно с отрицателни емоции), започва да излъчва своите електрически импулси: „Слушай, има не са останали достатъчно пари. Ако купим тази блуза сега, ще имаме проблеми.” Фронталната кора взема решение в зависимост от това кой вика по-силно - nucleus accumbens или амигдалата. И тук също е важно всеки следващ път да можем да анализираме последствията, до които доведе това решение. Факт е, че фронталният кортекс комуникира с амигдалата, nucleus accumbens и частите на мозъка, свързани с паметта: те му казват какво се е случило след последния път, когато сме взели такова решение. В зависимост от това фронталният кортекс може да обърне повече внимание на това, което му казват амигдалата и nucleus accumbens. Ето как мозъкът може да се промени под влияние на опита.

Защо се раждаме с малки мозъци?

Всички човешки деца се раждат недоразвити, буквално недоносени в сравнение с малките на всеки друг вид. Никое животно няма толкова дълго детство като хората и никое потомство не се ражда с толкова малък мозък спрямо масата на мозъка на възрастен: при новородено човешко тя е само 30%.

Всички изследователи са съгласни, че сме принудени да раждаме незрели хора поради впечатляващия размер на мозъка им. Класическото обяснение е акушерската дилема, тоест историята за конфликта между изправената поза и голямата глава. За да родиш бебе с такава глава и голям мозък, трябва да имаш широки бедра, но е невъзможно да ги разширяваш безкрайно, защото това ще пречи на ходенето. Според антрополога Холи Дънсуърт, за да се родят по-зрели деца, би било достатъчно да се увеличи ширината на родовия канал само с три сантиметра, но еволюцията все пак е спряла разширяването на бедрата в даден момент. Еволюционните биолози предполагат, че може би трябва да се родим преждевременно, за да може мозъкът ни да се развива във взаимодействие с външната среда, тъй като утробата като цяло е доста оскъдна на стимули.

Има известно изследване на Блекмор и Купър. През 70-те години те провеждат експерименти с котенца: държат ги на тъмно през повечето време и ги поставят в осветен цилиндър за пет часа на ден, където получават необичайна картина на света. Една група котенца виждаха само хоризонтални ивици в продължение на няколко месеца, докато друга група виждаше само вертикални ивици. В резултат на това котетата имаха големи проблеми с възприемането на реалността. Някои се блъскаха в краката на столове, защото не виждаха вертикални линии, други пренебрегваха хоризонталните по същия начин - например не разбираха, че масата има ръб. Бяха тествани и играни с пръчка. Ако едно коте е израснало сред хоризонтални линии, тогава то вижда и хваща хоризонталната пръчка, но просто не забелязва вертикалната. След това имплантираха електроди в мозъчната кора на котенцата и разгледаха как трябва да се наклони пръчката, така че невроните да започнат да излъчват сигнали. Важно е, че на възрастна котка нищо няма да се случи по време на такъв експеримент, но светът на малко коте, чийто мозък тепърва се учи да възприема информация, може да бъде изкривен завинаги в резултат на подобно преживяване. Невроните, които никога не са били засегнати, спират да функционират.

Свикнали сме да мислим, че колкото повече връзки има между различните неврони и части на човешкия мозък, толкова по-добре. Това е вярно, но с известни резерви. Необходимо е не само да има много връзки, но и да имат някакво отношение към реалния живот.Дете на година и половина има много повече синапси, тоест контакти между невроните в мозъка, отколкото професор от Харвард или Оксфорд. Проблемът е, че тези неврони са свързани хаотично. В ранна възраст мозъкът съзрява бързо и клетките му образуват десетки хиляди синапси между всичко и всички. Всеки неврон разпространява своите процеси във всички посоки и те се придържат към всичко, което могат да достигнат. Но тогава влиза в действие принципът „използвай го или го загуби“. Мозъкът живее в околната среда и се опитва да се справи с различни задачи: детето се учи да координира движенията, да хваща дрънкалка и т.н. Когато му се покаже как да яде с лъжица, в кората му остават връзки, полезни за хранене с лъжица, тъй като чрез тях той управляваше нервните импулси. И връзките, които са отговорни за хвърлянето на бъркотията из цялата стая, стават по-слабо изразени, защото родителите не насърчават подобни действия.

Процесите на растеж на синапсите са доста добре проучени на молекулярно ниво. Ерик Кандел получи Нобелова награда за идеята си да изучава паметта на нечовешки субекти. Човек има 86 милиарда неврони и докато един учен разбере тези неврони, ще трябва да изтощи стотици субекти. И тъй като никой не позволява на толкова много хора да отворят мозъците си, за да видят как са се научили да държат лъжица, Кандел излезе с идеята да работи с охлюви. Aplysia е супер удобна система: можете да работите с нея, като изучавате само четири неврона. Всъщност това мекотело има повече неврони, но неговият пример прави много по-лесно идентифицирането на системи, свързани с ученето и паметта. По време на експериментите Кандел осъзнава, че краткосрочната памет е временно повишаване на проводимостта на съществуващите синапси, а дългосрочната памет се състои от растеж на нови синаптични връзки.

Оказа се, че това е приложимо и за хората - все едно ходим по трева. Отначало ни е все едно откъде отиваме до полето, но постепенно правим пътека, която след това преминава в черен път, а след това в асфалтова улица и трилентова магистрала с улично осветление. По подобен начин нервните импулси правят свои собствени пътища в мозъка.

Как се образуват асоциации

Нашият мозък е устроен по този начин: той създава връзки между събития, които се случват едновременно.Обикновено по време на предаването на нервен импулс се освобождават невротрансмитери, които действат върху рецептора, а електрическият импулс отива към следващия неврон. Но има един рецептор, който не работи по този начин, той се нарича NMDA. Това е един от ключовите рецептори за формиране на памет на молекулярно ниво. Неговата особеност е, че работи, ако сигналът идва от двете страни едновременно.

Всички неврони водят някъде.Едната може да доведе до голяма невронна мрежа, която е свързана със звука на модерна песен в кафене. А други - към друга мрежа, свързана с факта, че сте ходили на среща. Мозъкът е създаден да свързва причината и следствието на анатомично ниво, той е в състояние да запомни, че има връзка между песен и среща. Рецепторът се активира и позволява на калция да премине. Той започва да влиза в огромен брой молекулярни каскади, които водят до действието на някои неактивни преди това гени. Тези гени извършват синтеза на нови протеини и друг синапс расте. По този начин връзката между невронната мрежа, отговорна за песента, и мрежата, отговорна за датата, става по-силна. Сега дори слаб сигнал е достатъчен, за да изпрати нервен импулс и да образува асоциация.

Как ученето влияе на мозъка

Има една известна история за лондонските таксиметрови шофьори. Не знам как е сега, но буквално преди няколко години, за да станеш истински таксиметров шофьор в Лондон, трябваше да минеш изпит по ориентиране в града без навигатор - тоест да знаеш поне две и половин хиляди улици, еднопосочно движение, пътни знаци, забрани за спиране и също така да можете да изградите оптималния маршрут. Следователно, за да станат таксиметрови шофьори в Лондон, хората са преминали курсове в продължение на няколко месеца. Изследователите са набрали три групи хора. Едната група са записаните в курсове за таксиметрови шофьори. Втората група са тези, които също са посещавали курсове, но са отпаднали. А хората от третата група дори не са си и помисляли да станат таксиметрови шофьори. Учените направиха и на трите групи компютърна томография, за да видят плътността на сивото вещество в хипокампуса. Това е важна област на мозъка, свързана с формирането на паметта и пространственото мислене. Установено е, че ако човек не иска да стане таксиметров шофьор или иска, но не го прави, тогава плътността на сивото вещество в неговия хипокампус остава същата. Но ако искаше да стане шофьор на такси, завърши обучение и наистина усвои нова професия, тогава плътността на сивото вещество се увеличи с една трета - това е много.

И въпреки че не е съвсем ясно къде е причината и къде е ефектът (или хората наистина са усвоили ново умение, или тази област на мозъка първоначално е била добре развита за тях и затова е било лесно за тях да се научат), нашият мозък определено е изключително пластично нещо и индивидуалното обучение му влияе сериозно - в много по-голяма степен от вродените предразположения. Важно е, че и на 60 години ученето се отразява на мозъка. Разбира се, не толкова ефективно и бързо, колкото на 20, но като цяло мозъкът запазва известна способност за пластичност през целия живот.

Защо мозъкът трябва да е мързелив и да спи?

Когато мозъкът научи нещо, той създава нови връзки между невроните.И този процес е бавен и скъп; изисква изразходване на много калории, захар, кислород и енергия. Като цяло човешкият мозък, въпреки факта, че теглото му е само 2% от теглото на цялото тяло, изразходва около 20% от цялата енергия, която получаваме. Затова, когато е възможно, той се опитва да не учи нищо, да не хаби енергия. Всъщност много мило от негова страна, защото ако запомняхме всичко, което виждаме всеки ден, щяхме да полудеем доста бързо.

При ученето, от гледна точка на мозъка, има два фундаментално важни момента. Първият е, че когато овладеем някакво умение, за нас става по-лесно да правим нещата правилно, отколкото грешно.Например, учиш се да караш кола с ръчна скоростна кутия и в началото ти е все едно дали превключваш от първа на втора или от първа на четвърта. За вашата ръка и мозък всички тези движения са еднакво вероятни; За вас няма значение по какъв начин да управлявате нервните си импулси. А когато вече си по-опитен шофьор, ти е физически по-лесно да сменяш правилно скоростите. Ако се качите на автомобил с коренно различен дизайн, отново ще трябва да мислите и контролирате с усилие на волята, така че импулсът да не върви по утъпкания път.

Втора важна точка:

основното в ученето е сънят

Има много функции: поддържане на здравето, имунитета, метаболизма и различни аспекти на мозъчната функция. Но всички невролози са съгласни с това Най-важната функция на съня е работата с информация и ученето.Когато усвоим дадено умение, искаме да формираме дълготрайна памет. Новите синапси растат за няколко часа, това е дълъг процес и е най-удобно за мозъка да го прави точно когато не сте заети с нищо. По време на сън мозъкът обработва информацията, получена през деня, и изтрива това, което трябва да бъде забравено от нея.

Има експеримент с плъхове, при който те са били научени да минават през лабиринт с електроди, имплантирани в мозъците им, и те са открили, че в съня си те повтарят пътя си през лабиринта, а на следващия ден го вървят по-добре. Много тестове върху хора показват, че това, което научаваме преди лягане, се запомня по-добре от това, което научаваме сутрин. Оказва се, че студентите, които започват да се подготвят за изпита някъде по-близо до полунощ, правят всичко както трябва. По същата причина е важно да мислите за проблемите преди лягане. Разбира се, ще бъде по-трудно да заспим, но ще изтеглим въпроса в мозъка и може би на сутринта ще дойде някакво решение. Между другото, сънищата най-вероятно са само страничен ефект от обработката на информация.

Как ученето зависи от емоциите

Ученето е силно зависимо от вниманието, защото има за цел да изпраща импулси отново и отново по специфични пътища на невронната мрежа. От огромно количество информация ние се фокусираме върху нещо и го вземаме в работната памет.Тогава това, върху което се фокусираме, се озовава в дългосрочната памет. Може да сте разбрали цялата ми лекция, но това не означава, че ще ви е лесно да я преразкажете. И ако в момента нарисувате велосипед на лист хартия, това не означава, че той ще се движи добре. Хората са склонни да забравят важни подробности, особено ако не са експерти по велосипеди.

Децата винаги са имали проблеми с вниманието. Но сега в този смисъл всичко става по-просто. В съвременното общество конкретните фактически знания вече не са толкова необходими - има ги просто в невероятно количество. Много по-важна е способността за бързо навигиране в информацията и разграничаване на надеждни източници от ненадеждни. Вече почти няма нужда да се концентрираме върху едно и също нещо дълго време и да помним големи количества информация - По-важно е бързото превключване.Освен това вече се появяват все повече професии само за хора, на които им е по-трудно да се концентрират.

Има още един важен фактор, който влияе върху ученето – емоциите. Всъщност това е основното нещо, което сме имали в продължение на много милиони години еволюция, дори преди да развием целия този огромен фронтален кортекс. Ние оценяваме стойността на овладяването на определено умение от гледна точка на това дали ни прави щастливи или не. Затова е страхотно, ако успеем да включим нашите основни биологични емоционални механизми в ученето. Например изграждане на мотивационна система, при която фронталният кортекс не смята, че трябва да научим нещо чрез постоянство и решителност, а при която nucleus accumbens казва, че просто се наслаждава на тази дейност.

Анатолий Бучин

Къде учи: Факултет по физика и механика на Политехническия университет, Ecole Normale Supérieure в Париж. Понастоящем постдоктор във Вашингтонския университет.

Какво изучава: компютърни невронауки

Особености: свири на саксофон и флейта, занимава се с йога, пътува много

Интересът ми към науката се зароди в детството: бях очарован от насекоми, събирах ги, изучавах техния начин на живот и биология. Мама забеляза това и ме доведе в Лабораторията по екология на морския бентос (LEMB) (бентосът е колекция от организми, живеещи на земята и в почвата на дъното на резервоари. - Забележка изд.) в Градския дворец на младежкото творчество в Санкт Петербург. Всяко лято от 6 до 11 клас ходехме на експедиции до Бяло море в природния резерват Кандалакша, за да наблюдаваме безгръбначни животни и да измерваме техния брой. В същото време участвах в биологични олимпиади за ученици и представях резултатите от работата си в експедиции като научни изследвания. В гимназията започнах да се интересувам от програмиране, но да се занимавам само с него не беше много интересно. Бях добър по физика и реших да намеря специалност, която да комбинира физика и биология. Така се озовах в Политехниката.

Първият път, когато дойдох във Франция след бакалавърската си степен, беше, когато спечелих стипендия за магистърска програма в университета Рене Декарт в Париж. Стажувах много в лаборатории и се научих да записвам невронна активност в мозъчни срезове и да анализирам реакциите на нервните клетки в зрителния кортекс на котка по време на представянето на визуален стимул. След като получих магистърска степен, се върнах в Санкт Петербург, за да завърша обучението си в Политехническия университет. През последната година от магистърската ми степен с моя ръководител подготвихме руско-френски проект за написване на дисертация и спечелих финансиране, като участвах в конкурса École Normale Supérieure. През последните четири години работих под двойно научно ръководство – Борис Гуткин в Париж и Антон Чижов в Санкт Петербург. Малко преди да завърша дисертацията си, отидох на конференция в Чикаго и научих за постдокторска позиция във Вашингтонския университет. След интервюто реших да работя тук през следващите две или три години: харесах проекта и новият ми ръководител Адриен Феърхол и аз имахме подобни научни интереси.

Относно изчислителната невронаука

Обект на изследване на изчислителната невробиология е нервната система, както и нейната най-интересна част - мозъкът. За да обясним какво общо има математическото моделиране с това, трябва да поговорим малко за историята на тази млада наука. В края на 80-те години списание Science публикува статия, в която за първи път започва да се говори за компютърна невробиология, нова интердисциплинарна област на неврологията, която се занимава с описанието на информацията и динамичните процеси в нервната система.

В много отношения основите на тази наука са положени от биофизика Алън Ходжкин и неврофизиолога Андрю Хъксли (брат на Олдъс Хъксли. - Забележка изд.). Те изучават механизмите на генериране и предаване на нервни импулси в невроните, избирайки калмари като модел на организъм. По това време микроскопите и електродите бяха далеч от модерните, а калмарите имаха толкова дебели аксони (процесите, през които преминават нервните импулси), че се виждаха дори с невъоръжено око. Това помогна на аксоните на калмарите да се превърнат в полезен експериментален модел. Откритието на Ходжкин и Хъксли беше, че те обясниха, използвайки експеримент и математически модел, че генерирането на нервен импулс се осъществява чрез промяна на концентрацията на натриеви и калиеви йони, преминаващи през мембраните на невроните. Впоследствие се оказа, че този механизъм е универсален за невроните на много животни, включително и хората. Звучи необичайно, но чрез изучаване на калмари учените успяха да научат как невроните предават информация при хората. Ходжкин и Хъксли получават Нобелова награда за откритието си през 1963 г.

Задачата на изчислителната невробиология е да систематизира огромно количество биологични данни за информация и динамични процеси, протичащи в нервната система. С разработването на нови методи за записване на невронната активност, количеството данни за мозъчната функция нараства всеки ден. Обемът на книгата „Принципи на невронната наука“ на Нобеловия лауреат Ерик Кандел, която излага основна информация за работата на мозъка, се увеличава с всяко ново издание: книгата започна с 470 страници, а сега размерът й е повече от 1700 страници. За да се систематизира такъв огромен набор от факти, са необходими теории.

За епилепсията

Около 1% от населението на света страда от епилепсия - това е 50-60 милиона души. Един от радикалните методи на лечение е отстраняването на областта на мозъка, откъдето възниква атаката. Но не е толкова просто. Около половината от случаите на епилепсия при възрастни възникват в темпоралния дял на мозъка, който е свързан с хипокампуса. Тази структура е отговорна за формирането на нови спомени. Ако двата хипокампа на човек бъдат изрязани от двете страни на мозъка му, той ще загуби способността си да запомня нови неща. Това ще бъде като непрекъснат ден на Groundhog, тъй като човек ще може да си спомни нещо само за 10 минути. Същността на моето изследване беше да предскажа по-малко радикални, но други възможни и ефективни начини за борба с епилепсията. В дисертацията си се опитах да разбера как започва епилептичният припадък.

За да разберете какво се случва с мозъка по време на атака, представете си, че сте дошли на концерт и в един момент залата избухна от аплодисменти. Вие пляскате в собствения си ритъм, а хората около вас пляскат в различен ритъм. Ако достатъчно хора започнат да ръкопляскат по същия начин, ще ви е трудно да поддържате ритъма си и най-вероятно в крайна сметка ще пляскате заедно с всички останали. Епилепсията действа по подобен начин, когато невроните в мозъка започват да се синхронизират силно, тоест генерират импулси по едно и също време. Този процес на синхронизация може да включва цели области на мозъка, включително тези, които контролират движението, причинявайки припадък. Въпреки че повечето гърчове се характеризират с липсата на гърчове, тъй като епилепсията не винаги се появява в двигателните области.

Да кажем, че два неврона са свързани чрез възбуждащи връзки в двете посоки. Един неврон изпраща импулс към друг, който го възбужда, а той изпраща импулса обратно. Ако възбудните връзки са твърде силни, това ще доведе до повишаване на активността поради обмена на импулси. Обикновено това не се случва, тъй като има инхибиторни неврони, които намаляват активността на прекалено активните клетки. Но ако инхибирането спре да работи правилно, това може да доведе до епилепсия. Това често се дължи на прекомерно натрупване на хлор в невроните. В работата си разработих математически модел на мрежа от неврони, които могат да преминат в режим на епилепсия поради патологията на инхибиране, свързана с натрупването на хлор в невроните. В това ми помогнаха записите на активността на невроните в човешката тъкан, получени след операции на пациенти с епилепсия. Конструираният модел ни позволява да тестваме хипотези относно механизмите на епилепсията, за да изясним детайлите на тази патология. Оказа се, че възстановяването на баланса на хлор в пирамидалните неврони може да помогне за спиране на епилептичен пристъп чрез възстановяване на баланса на възбуждане - инхибиране в мрежата от неврони. Вторият ми ръководител, Антон Чижов от Физико-техническия институт в Санкт Петербург, наскоро получи грант от Руската научна фондация за изследване на епилепсията, така че тази линия на изследване ще продължи в Русия.

Днес има много интересна работа в областта на компютърната невронаука. Например в Швейцария има проект Blue Brain Project, чиято цел е да опише възможно най-подробно малка част от мозъка - соматосензорната кора на плъха, която отговаря за извършването на движения. Дори в малкия мозък на плъха има милиарди неврони и всички те са свързани помежду си по определен начин. Например в кората един пирамидален неврон образува връзки с приблизително 10 000 други неврони. Проектът Blue Brain записва активността на около 14 000 нервни клетки, характеризира тяхната форма и реконструира около 8 000 000 връзки между тях. След това, използвайки специални алгоритми, те свързват невроните заедно по биологично правдоподобен начин, така че активността да може да се появи в такава мрежа. Моделът потвърди теоретично откритите принципи на кортикална организация - например баланса между възбуждане и инхибиране. И сега в Европа има голям проект, наречен „Човешкият мозък“. Той трябва да опише целия човешки мозък, като вземе предвид всички данни, които са налични днес. Този международен проект е своеобразен голям адронен колайдер от неврологията, тъй като в него участват около сто лаборатории от повече от 20 страни.

Критиците на проекта "Син мозък" и проекта "Човешки мозък" се съмняват колко важно е огромното количество детайли, за да се опише как работи мозъкът. За сравнение, колко важно е описанието на Невски проспект в Санкт Петербург на карта, където се виждат само континенти? Въпреки това опитът да се съберат огромно количество данни със сигурност е важен. В най-лошия случай, дори и да не разбираме напълно как работи мозъкът, след като изградим такъв модел, можем да го използваме в медицината. Например за изследване на механизмите на различни заболявания и моделиране на действието на нови лекарства.

В САЩ моят проект е посветен на изучаването на нервната система на Хидра. Въпреки факта, че дори в училищните учебници по биология той е един от първите изучавани, неговата нервна система все още е слабо разбрана. Хидрата е роднина на медузите, така че е също толкова прозрачна и има сравнително малък брой неврони - от 2 до 5 хиляди. Поради това е възможно едновременно да се регистрира активност от почти всички клетки на нервната система. За тази цел се използва инструмент като "калциев образ". Факт е, че всеки път, когато неврон се разреди, концентрацията на калций в клетката се променя. Ако добавим специална боя, която започва да свети, когато концентрацията на калций се увеличи, тогава всеки път, когато се генерира нервен импулс, ще видим характерно сияние, по което можем да определим активността на неврона. Това позволява да се записва активност в живо животно по време на поведение. Анализът на такава дейност ще ни позволи да разберем как нервната система на хидрата контролира нейното движение. Аналогиите, получени от подобни изследвания, могат да се използват за описание на движението на по-сложни животни, като бозайници. А в дългосрочен план – в невроинженерството за създаване на нови системи за контрол на нервната дейност.

За значението на неврологията за обществото

Защо неврологията е толкова важна за съвременното общество? Първо, това е възможност за разработване на нови лечения за неврологични заболявания. Как можете да намерите лек, ако не разбирате как работи на нивото на целия мозък? Моят ръководител в Париж Борис Гуткин, който също работи във Висшето училище по икономика в Москва, изучава кокаиновата и алкохолната зависимост. Работата му е посветена на описването на онези промени в системата за подсилване, които водят до пристрастяване. Второ, това са нови технологии - по-специално невропротезирането. Например, човек, който е останал без ръка, благодарение на имплант, имплантиран в мозъка, ще може да контролира изкуствените крайници. Алексей Осадчий от HSE участва активно в тази област в Русия. Трето, в дългосрочен план това е навлизане в ИТ, а именно технологията за машинно обучение. Четвърто, това е сферата на образованието. Защо, например, вярваме, че 45 минути е най-ефективната продължителност на урока в училище? Този въпрос може да си струва да се проучи по-добре, като се използват прозрения от когнитивната невронаука. По този начин можем да разберем по-добре как можем да преподаваме по-ефективно в училищата и университетите и как да планираме по-ефективно работния си ден.

За работата в мрежа в науката

В науката въпросът за комуникацията между учените е много важен. Работата в мрежа изисква участие в научни школи и конференции, за да сте в крак с текущото състояние на нещата. Научното училище е голямо парти: за един месец се озовавате сред други докторанти и постдокторанти. По време на обучението ви известни учени идват при вас и говорят за работата си. В същото време работите по индивидуален проект и сте наблюдавани от по-опитен човек. Също толкова важно е да поддържате добри отношения с вашия мениджър. Ако един магистър няма добри препоръчителни писма, едва ли ще бъде приет на стаж. Стажът определя дали ще бъде нает да напише дипломната си работа. От резултатите от дисертацията – по-нататъшен научен живот. На всеки от тези етапи те винаги искат обратна връзка от мениджъра и ако човек не работи много добре, това ще стане известно доста бързо, така че е важно да цените репутацията си.

По отношение на дългосрочните планове, планирам да направя няколко постдокументации, преди да намеря постоянна позиция в университет или изследователска лаборатория. Това изисква достатъчен брой публикации, които в момента са в ход. Ако всичко върви добре, мисля да се върна в Русия след няколко години, за да организирам своя собствена лаборатория или научна група тук.

Анатолий Бучин

Какво изучава: компютърни невронауки

Особености: свири на саксофон и флейта, занимава се с йога, пътува много

Относно изчислителната невронаука

За епилепсията

За значението на неврологията за обществото

За работата в мрежа в науката

Невробиологията изучава нервната система на хората и животните, като разглежда въпроси на структурата, функционирането, развитието, физиологията, патологията на нервната система и мозъка. Невробиологията е много широка научна област, обхващаща много области, например неврофизиология, неврохимия, неврогенетика. Невробиологията е тясно свързана с когнитивните науки, психологията и има все по-голямо влияние в изследването на социално-психологическите феномени.

Изследването на нервната система като цяло и мозъка в частност може да се осъществи на молекулярно или клетъчно ниво, когато се изучава структурата и функционирането на отделни неврони, на ниво отделни клъстери от неврони, както и на ниво отделни системи (мозъчна кора, хипоталамус и др.) и цялата нервна система като цяло, включително мозъка, гръбначния мозък и цялата мрежа от неврони в човешкото тяло.

Невролозите могат да решават напълно различни проблеми и да отговарят понякога на най-неочакваните въпроси. Как да възстановите мозъчната функция след инсулт и кои клетки в човешката мозъчна тъкан са повлияли на нейната еволюция - всички тези въпроси са в компетенцията на невролозите. И още: защо кафето ободрява, защо виждаме сънища и възможно ли е да ги контролираме, как гените определят нашия характер и структура на психиката, как функционирането на човешката нервна система влияе върху възприемането на вкусове и миризми и много, много други.

Една от обещаващите области на изследване в невробиологията днес е изследването на връзката между съзнанието и действието, тоест как мисълта за извършване на действие води до неговото завършване. Тези разработки са в основата на създаването на принципно нови технологии, за които в момента нямаме представа или такива, които започват да се развиват бързо. Пример за това е създаването на чувствителни протези за крайници, които могат напълно да възстановят функционалността на загубен крайник.

Според експерти, освен за решаване на „сериозни“ проблеми, разработките на невролозите скоро могат да се използват за развлекателни цели, например в индустрията на компютърните игри, за да ги направят още по-реалистични за играча, при създаването на специални спортни екзоскелети , както и във военната индустрия.

Темите за изучаване на невробиологията, въпреки многото изследвания в тази област и засиления интерес от страна на научните среди, не намаляват. Следователно още няколко поколения учени ще трябва да разрешат мистериите, които се крият в човешкия мозък и нервната система.

Неврологът е учен, който работи в една от областите на неврологията. Той може да се занимава с фундаментална наука, тоест да провежда изследвания, наблюдения и експерименти, формиране на нови теоретични подходи, намиране на нови общи модели, които могат да обяснят произхода на конкретни случаи. В този случай ученият се интересува от общи въпроси за структурата на мозъка, характеристиките на взаимодействието на невроните, изучава причините за неврологичните заболявания и др.

От друга страна, един учен може да се посвети на практиката, решавайки как да приложи известни фундаментални знания за решаване на конкретни проблеми, например при лечението на заболявания, свързани с нарушения на нервната система.

Всеки ден специалистите се сблъскват със следните проблеми:

1. как мозъкът и невронните мрежи работят на различни нива на взаимодействие, от клетъчно до системно ниво;

2. как мозъчните реакции могат да бъдат надеждно измерени;

3. какви връзки, функционални, анатомични и генетични, могат да бъдат проследени в работата на невроните на различни нива на взаимодействие;

4. кои показатели на мозъчната функция могат да се считат за диагностични или прогностични в медицината;

5. какви лекарства трябва да бъдат разработени за лечение и защита на патологични състояния и невродегенеративни заболявания на нервната система.

Как се става специалист?

Допълнително образование

Научете повече за възможните програми за подготовка за кариера, докато сте още в училищна възраст.

Основно професионално образование

Процентите отразяват разпределението на специалистите с определено ниво на образование на пазара на труда. В зелено са отбелязани ключовите специалности за овладяване на професията.

Способности и умения

Работа с информация. Умения за търсене, обработка и анализ на получената информация
Интегриран подход за решаване на проблеми. Способността да видите проблема изчерпателно, в контекст и въз основа на това да изберете необходимия набор от мерки за решаването му
Програмиране. Умения за писане на код и отстраняване на грешки
Наблюдения. Умения за провеждане на научни наблюдения, записване на получените резултати и тяхното анализиране
Научни умения. Способност за прилагане на знания в областта на природните науки при решаване на професионални проблеми
Изследователски умения. Способност за провеждане на изследвания, поставяне на експерименти, събиране на данни
Математически умения. Способност за прилагане на математически теореми и формули при решаване на професионални задачи
Оценка на системата. Способността да се изгради система за оценка на всяко явление или обект, да се изберат показатели за оценка и да се извърши оценка въз основа на тях

Интереси и предпочитания

Аналитично мислене. Способност за анализиране и прогнозиране на ситуация, правене на заключения въз основа на налични данни и установяване на причинно-следствени връзки
Критично мислене. Способност за критично мислене: претегляйте плюсовете и минусите, силните и слабите страни на всеки подход за решаване на проблем и всеки възможен резултат
Математически способности. Способности по математика и точни науки, разбиране на логиката на математическите положения и теореми
Способност за учене. Способността бързо да асимилира нова информация и да я прилага в по-нататъшна работа
Усвояване на информация. Способността за бързо възприемане и асимилиране на нова информация
Гъвкавост на мисленето. Способността да работите с няколко правила едновременно, да ги комбинирате и да извлечете най-подходящия модел на поведение
Отвореност към нови неща. Способност да сте в крак с новата техническа информация и познания, свързани с работата
Визуализация. Създаване във въображението на подробни образи на онези обекти, които трябва да бъдат получени в резултат на работата
Организиране на информация. Способността да се организират данни, информация и неща или действия в определен ред според конкретно правило или набор от правила
Внимание към детайлите. Способност да се концентрира върху детайлите при изпълнение на задачи
памет. Способност за бързо запомняне на значителни количества информация

Професия в лица

Олга Мартинова

Александър Сурин

Теглото на мозъка е 3-5% от общото тегло на човека. И това е най-голямото съотношение между теглото на мозъка и тялото в животинското царство.

Можете да влезете в професията с техническо и математическо образование, тъй като все повече се изискват специалисти, които владеят сложни методи за статистически анализ на големи обеми данни и които могат да работят с Big Data.

Невролозите могат да намерят работа в отделения по неврология, невропсихиатрия и др. Московски градски клиники и клиники. В научните организации специалистите в областта на невробиологията ще повишат нивото на научните изследвания на функционирането на нервната система при здраве и болест; в лечебните заведения ще подобрят качеството на диагностика на заболяванията и ще намалят времето за поставяне на диагнози; ще допринесе за разработването на прогресивни стратегии за лечение.

Мозъкът и нервната система като цяло са може би най-сложната система в тялото. 70% от човешкия геном осигурява формирането и функционирането на мозъка. В човешкия мозък се намират повече от 100 милиарда клетъчни ядра, което е повече от броя на звездите във видимата област на космоса.

Днес учени и лекари са се научили да трансплантират и заместват почти всяка тъкан и всеки орган в човешкото тяло. Всеки ден се извършват много операции по трансплантация на бъбреци, черен дроб и дори сърце. Операцията по трансплантация на глава обаче е успешна само веднъж, когато съветският хирург В. Демихов трансплантира втора глава на здраво куче. Известно е, че той е провеждал много подобни експерименти върху кучета и в един случай такова двуглаво същество е живяло почти месец. Днес подобни експерименти се провеждат и върху животни; търсят се методи за сливане на мозъка и гръбначния мозък по време на трансплантация, което е най-важният проблем при този тип операции, но засега учените са далеч от извършването на такива операции върху хора. Трансплантацията на глава или мозък може да помогне на парализирани хора, тези, които не могат да контролират тялото си, но въпросът за етиката на трансплантациите на глава също остава открит.