Neuroteadused – kaugõpe. Noored teadlased: neuroteadlane Anatoli Buchin kalmaaridest, aju modelleerimisest ja neuroteaduse igapäevastest eelistest Kus nad neuroteadlaseks õpivad?

Teadvuse ökoloogia: elu. On täiesti tõestatud, et meie aju on metsikult plastiline asi ja individuaalne treening mõjutab seda tõsiselt – palju suuremal määral kui kaasasündinud eelsoodumused.

Võrreldes teiste loomade poegadega, võime öelda, et inimene sünnib vähearenenud ajuga: selle mass vastsündinul moodustab ainult 30% täiskasvanu aju massist. Evolutsioonibioloogid viitavad sellele, et peame sündima enneaegsena, et meie aju saaks areneda keskkonnaga suheldes. Teadusajakirjanik Asya Kazantseva loengus "Miks peaks aju õppima?" “Kunstiharidus 17/18” programmi raames esines ta

Õppeprotsessist neurobioloogia vaatenurgast

ja selgitas, kuidas aju kogemuse mõjul muutub, samuti kuidas uni ja laiskus õppimise ajal kasulikud on.

Kes uurib õppimise fenomeni

Küsimust, miks aju peab õppima, käsitlevad vähemalt kaks olulist teadust – neurobioloogia ja eksperimentaalpsühholoogia. Neurobioloogia, mis uurib närvisüsteemi ja õppimise ajal ajus neuronite tasemel toimuvat, töötab enamasti mitte inimeste, vaid rottide, tigude ja ussidega. Eksperimentaalpsühholoogid püüavad mõista, millised asjad mõjutavad inimese õppimisvõimet: näiteks annavad nad talle olulise ülesande, mis paneb proovile tema mälu või õppimisvõime ja vaatab, kuidas ta sellega toime tuleb. Need teadused on viimastel aastatel intensiivselt arenenud.

Kui vaatame õppimist eksperimentaalpsühholoogia vaatenurgast, on kasulik meeles pidada, et see teadus on biheiviorismi pärija ja biheivioristid uskusid, et aju on must kast, ja neid ei huvitanud põhimõtteliselt, mis selles toimub. . Nad tajusid aju kui süsteemi, mida saab stiimulitega mõjutada, misjärel toimub selles mingi maagia ja see reageerib nendele stiimulitele teatud viisil. Biheivioristid huvitas, kuidas see reaktsioon välja näha võib ja mis seda mõjutada võiks. Nad uskusid sedaõppimine on käitumise muutumine uue teabe omandamise tulemusena

Seda määratlust kasutatakse kognitiivteaduses siiani laialdaselt. Ütleme nii, et kui õpilasele anti Kant lugeda ja talle meenus, et pea kohal on tähistaevas ja minu sees on moraaliseadus, ütles ta seda eksamil ja sai "A", siis on õppimine toimunud. .

Teisest küljest kehtib sama määratlus merijänese (Aplysia) käitumise kohta. Neuroteadlased teevad selle molluskiga sageli katseid. Kui šokeerite Aplysiat tema sabas, hakkab ta kartma ümbritsevat reaalsust ja tõmbab oma lõpused tagasi, reageerides nõrkadele stiimulitele, mida ta varem ei kartnud. Seega kogeb ta ka muutust käitumises ja õppimises. Seda määratlust saab rakendada isegi lihtsamate bioloogiliste süsteemide puhul. Kujutagem ette kahe neuroni süsteemi, mis on ühendatud ühe kontaktiga. Kui rakendame sellele kaks nõrkvooluimpulssi, siis selle juhtivus ajutiselt muutub ja ühel neuronil on lihtsam teisele signaale saata. See on ka õppimine selle väikese bioloogilise süsteemi tasemel. Seega saame välises reaalsuses jälgitavast õppimisest ehitada silla ajus toimuva juurde. See sisaldab neuroneid, mille muutused mõjutavad meie reaktsiooni keskkonnale, st toimunud õppimist.

Kuidas aju töötab

Kuid ajust rääkimiseks peab teil olema põhiteadmised selle toimimisest. Igaühel meist on ju peas need poolteist kilogrammi närvikudet. Aju koosneb 86 miljardist närvirakust ehk neuronist. Tüüpilisel neuronil on paljude protsessidega rakukeha. Mõned protsessid on dendriidid, mis koguvad teavet ja edastavad selle neuronile. Ja üks pikk protsess, akson, edastab selle järgmistele rakkudele. Teabe edastamine ühe närviraku sees tähendab elektrilist impulssi, mis liigub mööda protsessi otsekui läbi juhtme. Üks neuron suhtleb teisega kontaktpunkti kaudu, mida nimetatakse "sünapsiks", signaal liigub läbi kemikaalide. Elektriimpulss viib neurotransmitteri molekulide vabanemiseni: serotoniin, dopamiin, endorfiinid. Need lekivad läbi sünaptilise pilu, mõjutavad järgmise neuroni retseptoreid ja see muudab selle funktsionaalset seisundit – näiteks avanevad selle membraanil kanalid, mille kaudu hakkavad läbima naatriumi-, kloori-, kaltsiumi-, kaaliumiioonid jne. See viib sellele omakorda tekib sellele ka potentsiaalide vahe ja elektrisignaal läheb kaugemale, järgmisesse lahtrisse.

Kuid kui rakk edastab signaali teisele rakule, siis sellest kõige sagedamini ei piisa märgatavateks muutusteks käitumises, sest üks signaal võib tekkida ka juhuslikult mõne süsteemi häire tõttu. Teabe vahetamiseks edastavad rakud üksteisele palju signaale. Peamine kodeerimisparameeter ajus on impulsside sagedus: kui üks rakk tahab midagi teisele rakule edastada, hakkab ta saatma sadu signaale sekundis. Muide, 1960. ja 70. aastate varased uurimismehhanismid genereerisid helisignaali. Katselooma ajju implanteeriti elektrood ning laboris kuuldud kuulipildujamüra kiiruse järgi võis aru saada, kui aktiivne neuron oli.

Impulsssageduse kodeerimissüsteem toimib erinevatel infoedastustasanditel – isegi lihtsate visuaalsete signaalide tasemel. Meil on võrkkesta koonused, mis reageerivad erinevatele lainepikkustele: lühikesed (kooliõpikus nimetatakse neid siniseks), keskmised (roheline) ja pikad (punased). Kui võrkkesta siseneb teatud lainepikkusega valgus, ergastuvad erinevad koonused erineval määral. Ja kui laine on pikk, hakkab punane koonus ajule intensiivselt signaali saatma, et saaksite aru, et värv on punane. Siin pole aga kõik nii lihtne: koonuste tundlikkuse spekter kattub ja roheline teeskleb ka, et nägi midagi sellist. Seejärel analüüsib aju seda ise.

Kuidas aju otsuseid teeb

Kaasaegsetes mehaanilistes uuringutes ja implanteeritud elektroodidega loomadega tehtud katsetes kasutatavaid põhimõtteid saab rakendada palju keerukamate käitumisaktide puhul. Näiteks ajus on nn naudingukeskus – nucleus accumbens. Mida aktiivsem see ala on, seda rohkem meeldib see, mida ta näeb, ja seda suurem on tõenäosus, et ta soovib seda osta või näiteks süüa. Katsed tomograafiga näitavad, et nucleus accumbens teatud aktiivsuse põhjal on võimalik juba enne seda, kui inimene teeb oma otsuse näiteks pluusiostu kohta, aru saada, kas ta ostab selle või mitte. Nagu ütleb suurepärane neuroteadlane Vassili Klyucharyov, me teeme kõik selleks, et oma neuronitele nucleus accumbensis meeldida.

Raskus seisneb selles, et meie ajus puudub otsustusvõime ühtsus, igal osakonnal võib olla toimuva kohta oma arvamus. Võrkkesta koonuseeostega sarnane lugu kordub keerulisemate asjadega. Oletame, et nägid pluusi, see meeldis sulle ja su nucleus accumbens saadab signaale. Teisest küljest maksab see pluus 9 tuhat rubla ja palgani on veel nädal aega - ja siis hakkab teie mandelkeha ehk amygdala (peamiselt negatiivsete emotsioonidega seotud keskus) oma elektrilisi impulsse välja andma: "Kuulge, seal on raha ei jätku. Kui me selle pluusi praegu ostame, on meil probleeme.» Otsuse ajukoor teeb otsuse sõltuvalt sellest, kes karjub valjemini – nucleus accumbens või amygdala. Ja siin on ka oluline, et iga kord hiljem saaksime analüüsida tagajärgi, milleni see otsus viis. Tõsiasi on see, et eesmine ajukoor suhtleb mandelkeha, ajutuuma ja mäluga seotud ajuosadega: nad räägivad talle, mis juhtus pärast seda, kui me viimati sellise otsuse tegime. Olenevalt sellest võib eesmine ajukoor pöörata rohkem tähelepanu sellele, mida amygdala ja nucleus accumbens talle räägivad. Nii võib aju kogemuste mõjul muutuda.

Miks me sünnime väikeste ajudega?

Kõik inimlapsed sünnivad vähearenenud, sõna otseses mõttes enneaegsetena võrreldes teiste liikide poegadega. Ühelgi loomal pole nii pikka lapsepõlv kui inimestel ja neil pole järglasi, kes sünnivad täiskasvanu aju massiga võrreldes nii väikese ajuga: inimese vastsündinul on see ainult 30%.

Kõik teadlased nõustuvad, et oleme sunnitud inimesi sünnitama ebaküpsena nende muljetavaldava aju suuruse tõttu. Klassikaline seletus on sünnitusabi dilemma ehk lugu püstise kehahoiaku ja suure pea konfliktist. Sellise pea ja suure ajuga lapse sünnitamiseks peavad teil olema laiad puusad, kuid neid pole võimalik lõputult laiendada, sest see segab kõndimist. Antropoloog Holly Dunsworthi sõnul piisaks küpsemate laste sünnitamiseks sünnikanali laiuse suurendamisest vaid kolme sentimeetri võrra, kuid evolutsioon peatas mingil hetkel siiski puusade laienemise. Evolutsioonibioloogid on arvanud, et võib-olla peaksime sündima enneaegsena, et meie aju saaks areneda koostoimes väliskeskkonnaga, kuna emakas tervikuna on stiimulite poolest üsna hõre.

Seal on kuulus Blackmore'i ja Cooperi uurimus. 70ndatel viisid nad kassipoegadega läbi katseid: hoidsid neid suurema osa ajast pimedas ja panid nad viieks tunniks päevas valgustatud silindrisse, kus nad said maailmast ebatavalise pildi. Üks kassipoegade rühm nägi mitu kuud ainult horisontaalseid triipe, teine rühm aga ainult vertikaalseid triipe. Selle tulemusena tekkisid kassipoegadel suured probleemid reaalsuse tajumisega. Mõned põrkasid vastu toolide jalgu, kuna ei näinud vertikaalseid jooni, teised ignoreerisid samamoodi horisontaalseid - näiteks ei saanud aru, et laual on serv. Neid katsetati ja mängiti pulgaga. Kui kassipoeg kasvas üles horisontaalsete joonte vahel, siis ta näeb ja püüab kinni horisontaalse pulga, kuid vertikaalset lihtsalt ei märka. Seejärel implanteerisid nad kassipoegade ajukooresse elektroodid ja uurisid, kuidas pulka tuleks kallutada, et neuronid hakkaksid signaale väljastama. Oluline on, et täiskasvanud kassiga sellise katse käigus midagi ei juhtuks, kuid väikese kassipoja maailm, kelle aju alles õpib informatsiooni tajuma, võib sellise kogemuse tagajärjel jäädavalt moonduda. Neuronid, mida pole kunagi mõjutanud, lakkavad töötamast.

Oleme harjunud mõtlema, et mida rohkem on seoseid erinevate neuronite ja inimese ajuosade vahel, seda parem. See on tõsi, kuid teatud reservatsioonidega. Peab olema mitte ainult palju seoseid, vaid ka seda, et neil oleks mingi seos päriseluga. Pooleteiseaastasel lapsel on palju rohkem sünapse ehk kontakte aju neuronite vahel kui Harvardi või Oxfordi professoril. Probleem on selles, et need neuronid on omavahel kaootiliselt ühendatud. Varases eas aju küpseb kiiresti ja selle rakud moodustavad kümneid tuhandeid sünapse kõige ja kõigi vahel. Iga neuron levitab oma protsesse kõigis suundades ja nad klammerduvad kõige külge, kuhu nad jõuavad. Siis aga tuleb mängu “kasuta või kaota” põhimõte. Aju elab keskkonnas ja püüab toime tulla erinevate ülesannetega: last õpetatakse liigutusi koordineerima, kõristist haarama jne. Kui talle näidata, kuidas lusikaga süüa, jäävad tema ajukooresse ühendused, mis on kasulikud koos söömisel. lusikas, kuna nende kaudu ajas ta närviimpulsse. Ja ühendused, mis vastutavad kogu ruumi segaduse tekitamise eest, muutuvad vähem väljendunud, sest vanemad ei julgusta selliseid tegevusi.

Sünapsi kasvuprotsesse on molekulaarsel tasandil üsna hästi uuritud. Eric Kandelile anti Nobeli preemia idee eest uurida mälu mitteinimlikel teemadel. Inimesel on 86 miljardit neuronit ja seni, kuni teadlane neid neuroneid ei mõista, peaks ta kurnama sadu katsealuseid. Ja kuna keegi ei luba nii paljudel inimestel oma aju avada, et näha, kuidas nad lusikat käes hoidma õppisid, tuli Kandel ideele töötada tigudega. Aplysia on ülimugav süsteem: saate sellega töötada, uurides vaid nelja neuronit. Tegelikult on sellel molluskil rohkem neuroneid, kuid selle näide muudab õppimise ja mäluga seotud süsteemide tuvastamise palju lihtsamaks. Katsete käigus mõistis Kandel, et lühimälu on ajutine olemasolevate sünapside juhtivuse suurenemine ja pikaajaline mälu seisneb uute sünaptiliste ühenduste kasvus.

See osutus rakendatavaks ka inimestele - see on nagu me kõnnime murul. Algul ei huvita, kuhu põllule läheme, aga tasapisi teeme raja, mis läheb siis pinnasteeks ja siis asfalttänavaks ja kolmerealiseks tänavavalgustitega maanteeks. Samamoodi teevad närviimpulsid ajus oma teed.

Kuidas ühendused tekivad

Meie aju on kujundatud nii: see loob seoseid samaaegselt toimuvate sündmuste vahel. Tavaliselt vabanevad närviimpulsi edastamise ajal neurotransmitterid, mis mõjutavad retseptorit ja elektriimpulss läheb järgmisele neuronile. Kuid on üks retseptor, mis nii ei tööta, seda nimetatakse NMDA-ks. See on üks võtmeretseptoreid mälu kujunemisel molekulaarsel tasandil. Selle eripära on see, et see töötab, kui signaal tuleb mõlemalt poolt korraga.

Kõik neuronid viivad kuhugi. See võib viia suure närvivõrguni, mis on ühendatud trendika laulu kõlaga kohvikus. Ja teised - teise võrku, mis on seotud sellega, et läksite kohtingule. Aju on loodud põhjuse ja tagajärje ühendamiseks, anatoomilisel tasandil suudab ta meeles pidada, et laulu ja kuupäeva vahel on seos. Retseptor aktiveerub ja laseb kaltsiumil läbi minna. See hakkab sisenema tohutule hulgale molekulaarsetele kaskaadidele, mis viivad mõne varem mitteaktiivse geeni toimimiseni. Need geenid teostavad uute valkude sünteesi ja teine sünaps kasvab. Nii tugevneb side loo eest vastutava närvivõrgu ja kuupäeva eest vastutava võrgu vahel. Nüüd piisab ka nõrgast signaalist, et saata närviimpulss ja luua assotsiatsioon.

Kuidas õppimine mõjutab aju

Londoni taksojuhtidest on kuulus lugu. Ma ei tea, kuidas praegu on, aga sõna otseses mõttes tuli mõned aastad tagasi Londonis tõeliseks taksojuhiks saamiseks sooritada linnas orienteerumiseksam ilma navigaatorita – ehk siis oskama vähemalt kahte ja pool tuhat tänavat, ühesuunaline liiklus, teeviidad, keelud peatuseni ja ka suutma ehitada optimaalse marsruudi. Seetõttu võtsid inimesed Londoni taksojuhiks saamiseks mitu kuud kursusi. Teadlased värbasid kolm inimrühma. Üks rühm on need, kes on registreerunud taksojuhtide kursustele. Teine grupp on need, kes käisid samuti kursustel, kuid katkestasid. Ja kolmanda grupi inimesed ei mõelnud isegi taksojuhiks hakkamisest. Teadlased andsid kõigile kolmele rühmale CT-skaneeringud, et uurida halli aine tihedust hipokampuses. See on oluline ajupiirkond, mis on seotud mälu kujunemise ja ruumilise mõtlemisega. Leiti, et kui inimene ei tahtnud saada taksojuhiks või tahtis, aga ei saanud, siis tema hipokampuses jäi halli aine tihedus samaks. Aga kui ta tahtis saada taksojuhiks, läbis koolituse ja omandas tõesti uue elukutse, siis suurenes halli massi tihedus kolmandiku võrra - see on palju.

Ja kuigi pole täiesti selge, kus on põhjus ja kus on tagajärg (kas tõesti omandasid inimesed uue oskuse või oli see ajupiirkond nende jaoks algselt hästi arenenud ja seetõttu oli neil lihtne õppida), meie aju on kindlasti metsikult plastiline asi ja individuaalne treening mõjutab seda tõsiselt – palju suuremal määral kui kaasasündinud eelsoodumused. On oluline, et ka 60-aastaselt mõjutab õppimine aju. Muidugi mitte nii tõhusalt ja kiiresti kui 20-aastaselt, kuid üldiselt säilitab aju teatud plastilisuse võime kogu elu jooksul.

Miks peaks aju laisk olema ja magama?

Kui aju midagi õpib, tekitab see neuronite vahel uusi ühendusi. Ja see protsess on aeglane ja kulukas; see nõuab palju kaloreid, suhkrut, hapnikku ja energiat. Üldiselt tarbib inimese aju, hoolimata asjaolust, et selle kaal moodustab vaid 2% kogu keha massist, umbes 20% kogu meile saadavast energiast. Seetõttu püüab ta võimalusel mitte midagi õppida, energiat mitte raisata. See on tegelikult temast väga kena, sest kui me õpiksime pähe kõik, mida iga päev näeme, läheksime üsna kiiresti hulluks.

Õppimisel on aju seisukohalt kaks põhimõtteliselt olulist punkti. Esimene on see, kui omandame mis tahes oskuse, on meil lihtsam teha asju õigesti kui valesti. Näiteks õpid manuaalkäigukastiga autot juhtima ja alguses ei huvita, kas vahetad käigu esimeselt teisele või esimeselt neljandale. Teie käe ja aju jaoks on kõik need liigutused võrdselt tõenäolised; Sinu jaoks pole vahet, kuidas oma närviimpulsse saata. Ja kui oled juba kogenum juht, on sul füüsiliselt lihtsam käike õigesti vahetada. Kui istud põhimõtteliselt teistsuguse disainiga autosse, pead jällegi tahtejõuga mõtlema ja kontrollima, et impulss mööda sissetallatud rada ei läheks.

Teine oluline punkt:

õppimisel on põhiline uni

Sellel on palju funktsioone: tervise säilitamine, immuunsus, ainevahetus ja ajutegevuse erinevad aspektid. Kuid kõik neuroteadlased nõustuvad sellega Une kõige olulisem funktsioon on teabega töötamine ja õppimine. Kui oleme oskuse omandanud, tahame kujundada pikaajalist mälu. Uute sünapside kasvamiseks kulub mitu tundi; see on pikk protsess ja aju jaoks on seda kõige mugavam teha just siis, kui te pole millegagi hõivatud. Une ajal töötleb aju päeva jooksul saadud infot ja kustutab sealt selle, mis tuleks unustada.

Rottidega on tehtud katse, kus neid õpetati ajju implanteeritud elektroodidega labürindis kõndima ja nad avastasid, et unes kordasid nad oma rada läbi labürindi ja järgmisel päeval kõndisid nad seda mööda paremini. Paljud inimkatsed on näidanud, et enne magamaminekut õpitu jääb paremini meelde kui hommikul õpitu. Selgub, et õpilased, kes hakkavad eksamiks valmistuma kusagil südaöö paiku, teevad kõik õigesti. Samal põhjusel on oluline enne magamaminekut probleemidele mõelda. Muidugi on uinumine keerulisem, aga laadime küsimuse ajju alla ja äkki tuleb hommikul mõni lahendus. Muide, unenäod on suure tõenäosusega lihtsalt infotöötluse kõrvalmõju.

Kuidas õppimine sõltub emotsioonidest

Õppimine sõltub suuresti tähelepanust, sest selle eesmärk on saata impulsse ikka ja jälle mööda närvivõrgu kindlaid teid. Tohutu teabe hulgast keskendume millelegi ja võtame selle töömällu. Siis jõuab see, millele keskendume, pikaajalist mälu. Võib-olla saite kogu mu loengust aru, kuid see ei tähenda, et teil oleks seda lihtne ümber jutustada. Ja kui joonistate praegu jalgratta paberile, ei tähenda see, et see sõidaks hästi. Inimesed kipuvad unustama olulisi detaile, eriti kui nad pole rattaeksperdid.

Lastel on tähelepanuga alati probleeme olnud. Kuid nüüd on selles mõttes kõik muutunud lihtsamaks. Kaasaegses ühiskonnas pole spetsiifilisi faktiteadmisi enam nii vaja – neid on lihtsalt uskumatult palju. Palju olulisem on oskus infos kiiresti navigeerida ja usaldusväärseid allikaid ebausaldusväärsetest eristada. Meil pole peaaegu enam vaja pikka aega ühele ja samale asjale keskenduda ja suurt hulka teavet meeles pidada - Tähtsam on kiiresti ümber lülituda. Lisaks ilmub nüüd üha rohkem ameteid just inimestele, kellel on raskem keskenduda.

On veel üks oluline õppimist mõjutav tegur – emotsioonid. Tegelikult on see üldiselt peamine asi, mis meil on olnud miljonite aastate jooksul evolutsiooni käigus, isegi enne, kui me kogu selle tohutu eesmise ajukoore kasvatasime. Hindame konkreetse oskuse omandamise väärtust sellest vaatenurgast, kas see teeb meid õnnelikuks või mitte. Seetõttu on suurepärane, kui meil õnnestub õppimisse kaasata oma peamised bioloogilised emotsionaalsed mehhanismid. Näiteks sellise motivatsioonisüsteemi ülesehitamine, milles eesmine ajukoor ei arva, et me peame midagi õppima visaduse ja sihikindluse kaudu, vaid milles tuum accumbens ütleb, et ta lihtsalt naudib seda tegevust.

Anatoli Buchin

Kus ta õppis: Polütehnilise Ülikooli füüsika- ja mehaanikateaduskond, Ecole Normale Supérieure Pariisis. Praegu järeldoktor Washingtoni ülikoolis.

Mida ta uurib: arvutuslik neuroteadus

Eriomadused: mängib saksofoni ja flööti, teeb joogat, reisib palju

Minu huvi teaduse vastu tekkis lapsepõlves: olin lummatud putukatest, kogusin neid, uurisin nende elustiili ja bioloogiat. Ema märkas seda ja viis mind merepõhjaelustiku ökoloogia laborisse (LEMB) (bentos on maapinnal ja veehoidlate põhja pinnases elavate organismide kogum. - Märge toim.) Peterburi linna noorte loomepalees. Käisime igal suvel 6.-11.klassist Kandalaksha looduskaitsealal Valge mere ääres ekspeditsioonidel selgrootuid loomi vaatlemas ja nende arvukust mõõtmas. Samal ajal osalesin koolinoorte bioloogiaolümpiaadidel ja esitlesin oma ekspeditsioonidel tehtud töö tulemusi teadusliku uurimistööna. Keskkoolis tekkis mul huvi programmeerimise vastu, kuid ainult sellega tegelemine polnud eriti huvitav. Mul oli füüsika hea ja otsustasin leida eriala, mis ühendaks füüsika ja bioloogia. Nii sattusin polütehnikumi.

Esimest korda tulin Prantsusmaale pärast bakalaureuse kraadi omandamist, kui võitsin stipendiumi Pariisi René Descartes’i ülikooli magistriõppesse õppima. Praktiseerisin põhjalikult laborites ja õppisin registreerima neuronite aktiivsust ajulõikudes ja analüüsima närvirakkude reaktsioone kassi visuaalses ajukoores visuaalse stiimuli esitamise ajal. Pärast magistrikraadi omandamist pöördusin tagasi Peterburi, et täiendada end Polütehnilises Ülikoolis. Viimasel magistriõppeaastal valmistasime juhendajaga ette vene-prantsuse projekti lõputöö kirjutamiseks ning rahastuse sain konkursil École Normale Supérieure osaledes. Viimased neli aastat olen töötanud kahekordse teadusliku juhendamise all – Boriss Gutkin Pariisis ja Anton Tšižov Peterburis. Vahetult enne doktoritöö lõpetamist käisin Chicagos konverentsil ja sain teada Washingtoni ülikooli järeldoktori ametikoha kohta. Pärast intervjuud otsustasin siin järgmised kaks-kolm aastat töötada: projekt meeldis mulle ning minu uue juhendaja Adrienne Fairhalliga olid sarnased teadushuvid.

Arvutuslikust neuroteadusest

Arvutusliku neurobioloogia uurimisobjektiks on närvisüsteem, aga ka selle kõige huvitavam osa – aju. Et selgitada, mis on matemaatilisel modelleerimisel sellega pistmist, peame veidi rääkima selle noore teaduse ajaloost. 80ndate lõpus avaldas ajakiri Science artikli, milles hakati esimest korda rääkima arvutuslikust neurobioloogiast, uuest interdistsiplinaarsest neuroteaduse valdkonnast, mis tegeleb närvisüsteemi info ja dünaamiliste protsesside kirjeldamisega.

Selle teaduse aluse panid paljuski biofüüsik Alan Hodgkin ja neurofüsioloog Andrew Huxley (Aldous Huxley vend. - Märge toim.). Nad uurisid neuronites närviimpulsside tekke ja edasikandumise mehhanisme, valides mudelorganismiks kalmaari. Tol ajal olid mikroskoobid ja elektroodid tänapäevastest kaugel ning kalmaaridel olid nii paksud aksonid (protsessid, mille kaudu liiguvad närviimpulsid), et neid oli näha isegi palja silmaga. See on aidanud kalmaari aksonitel saada kasulikuks eksperimentaalseks mudeliks. Hodgkini ja Huxley avastus seisnes selles, et nad selgitasid eksperimenti ja matemaatilist mudelit kasutades, et närviimpulsi tekitamine toimub neuronite membraane läbivate naatriumi- ja kaaliumiioonide kontsentratsiooni muutmise teel. Seejärel selgus, et see mehhanism on universaalne paljude loomade, sealhulgas inimeste neuronite jaoks. See kõlab ebatavaliselt, kuid kalmaari uurides said teadlased teada, kuidas neuronid inimestel teavet edastavad. Hodgkin ja Huxley said 1963. aastal avastuse eest Nobeli preemia.

Arvutusliku neurobioloogia ülesanne on süstematiseerida tohutul hulgal bioloogilisi andmeid närvisüsteemis toimuva teabe ja dünaamiliste protsesside kohta. Neuraalse aktiivsuse registreerimise uute meetodite väljatöötamisega kasvab ajufunktsiooni andmete hulk iga päevaga. Nobeli preemia laureaadi Eric Kandeli aju töö põhiteavet koondava raamatu “Närviteaduse põhimõtted” maht suureneb iga uue väljaandega: raamat algas 470 leheküljega ja nüüd on selle maht üle 1700. lehekülgi. Sellise tohutu hulga faktide süstematiseerimiseks on vaja teooriaid.

Epilepsia kohta

Umbes 1% maailma elanikkonnast kannatab epilepsia all – see on 50–60 miljonit inimest. Üks radikaalsetest ravimeetoditest on eemaldada ajupiirkond, kust rünnak alguse sai. Kuid see pole nii lihtne. Umbes pooled täiskasvanute epilepsia juhtudest esineb aju temporaalsagaras, mis on ühendatud hipokampusega. See struktuur vastutab uute mälestuste tekkimise eest. Kui inimesel lõigatakse aju mõlemalt poolt välja kaks hipokampust, kaotab ta võime uusi asju meelde jätta. See on nagu pidev Groundhog Day, sest inimene suudab midagi meelde jätta vaid 10 minutiks. Minu uurimistöö põhiolemus oli ennustada vähem radikaalseid, kuid muid võimalikke ja tõhusaid viise epilepsia vastu võitlemiseks. Lõputöös püüdsin aru saada, kuidas epilepsiahoog algab.

Et mõista, mis rünnaku ajal ajuga juhtub, kujutage ette, et tulite kontserdile ja mingil hetkel plahvatas saal aplausist. Plaksutad enda rütmis ja sind ümbritsevad inimesed plaksutavad erinevas rütmis. Kui piisavalt palju inimesi hakkab samamoodi plaksutama, on teil raske oma rütmis püsida ja tõenäoliselt plaksutate koos kõigi teistega. Epilepsia toimib sarnaselt siis, kui aju neuronid hakkavad tugevalt sünkroniseeruma, st genereerima impulsse samal ajal. See sünkroonimisprotsess võib hõlmata terveid ajupiirkondi, sealhulgas neid, mis kontrollivad liikumist, põhjustades krambihoogu. Kuigi enamikule krambihoogudest on iseloomulik krambihoogude puudumine, sest epilepsiat ei esine alati motoorsetes piirkondades.

Oletame, et kaks neuronit on mõlemas suunas ühendatud ergastavate ühendustega. Üks neuron saadab teisele impulsi, mis selle erutab ja see saadab impulsi tagasi. Kui ergastavad ühendused on liiga tugevad, põhjustab see impulsside vahetamise tõttu aktiivsuse suurenemist. Tavaliselt seda ei juhtu, kuna on inhibeerivaid neuroneid, mis vähendavad liiga aktiivsete rakkude aktiivsust. Kuid kui inhibeerimine lakkab korralikult töötamast, võib see põhjustada epilepsiat. See on sageli tingitud liigsest kloori kogunemisest neuronitesse. Oma töös töötasin välja neuronite võrgustiku matemaatilise mudeli, mis võib neuronites kloori kogunemisega seotud pärssimise patoloogia tõttu minna epilepsia režiimi. Selles aitasid mind inimkoe neuronite aktiivsuse salvestused, mis saadi pärast epilepsiahaigete operatsioone. Konstrueeritud mudel võimaldab meil testida hüpoteese epilepsia mehhanismide kohta, et selgitada selle patoloogia üksikasju. Selgus, et püramiidsete neuronite kloori tasakaalu taastamine võib aidata peatada epilepsiahoo, taastades erutuse – inhibeerimise tasakaalu neuronite võrgustikus. Minu teine juhendaja Anton Tšižov Peterburi füüsikalis-tehnilises instituudis sai hiljuti Venemaa Teadusfondilt epilepsia uurimise stipendiumi, nii et see uurimissuund jätkub ka Venemaal.

Tänapäeval tehakse arvutusliku neuroteaduse valdkonnas palju huvitavat tööd. Näiteks Šveitsis on Blue Brain Project, mille eesmärk on kirjeldada võimalikult üksikasjalikult väikest ajuosa – roti somatosensoorset ajukoort, mis vastutab liigutuste sooritamise eest. Isegi roti väikeses ajus on miljardeid neuroneid ja need kõik on omavahel teatud viisil seotud. Näiteks ajukoores moodustab üks püramiidne neuron ühendused ligikaudu 10 000 teise neuroniga. Blue Brain Project registreeris umbes 14 000 närviraku aktiivsust, iseloomustas nende kuju ja rekonstrueeris nende vahel umbes 8 000 000 ühendust. Seejärel ühendasid nad spetsiaalsete algoritmide abil neuronid bioloogiliselt usutaval viisil kokku, et aktiivsus saaks sellises võrgus ilmneda. Mudel kinnitas teoreetiliselt leitud kortikaalse organiseerimise põhimõtteid – näiteks tasakaalu ergastuse ja pärssimise vahel. Ja nüüd on Euroopas suur projekt nimega Human Brain Project. See peab kirjeldama kogu inimese aju, võttes arvesse kõiki tänapäeval kättesaadavaid andmeid. See rahvusvaheline projekt on omamoodi neuroteaduste suur hadronite põrgataja, kuna selles osaleb sadakond laborit enam kui 20 riigist.

Blue Brain Projecti ja Human Brain Projecti kriitikud on seadnud kahtluse alla, kui oluline on detailide hulk aju toimimise kirjeldamisel. Võrdluseks, kui oluline on Peterburi Nevski prospekti kirjeldus kaardil, kus on näha ainult mandrid? Suure hulga andmete koondamine on aga kindlasti oluline. Halvimal juhul, isegi kui me ei mõista täielikult, kuidas aju töötab, saame pärast sellise mudeli ehitamist seda meditsiinis kasutada. Näiteks uurida erinevate haiguste tekkemehhanisme ja modelleerida uute ravimite toimet.

USA-s on minu projekt pühendatud Hydra närvisüsteemi uurimisele. Hoolimata asjaolust, et isegi koolibioloogiaõpikutes on see üks esimesi uuritud, on selle närvisüsteem endiselt halvasti mõistetav. Hüdra on meduuside sugulane, seega on see sama läbipaistev ja sellel on suhteliselt väike arv neuroneid - 2 kuni 5 tuhat. Seetõttu on võimalik samaaegselt registreerida praktiliselt kõigi närvisüsteemi rakkude aktiivsus. Sel eesmärgil kasutatakse sellist tööriista nagu "kaltsiumipildistamine". Fakt on see, et iga kord, kui neuron tühjeneb, muutub selle kaltsiumi kontsentratsioon rakus. Kui lisada spetsiaalne värv, mis hakkab helendama kaltsiumi kontsentratsiooni tõustes, siis iga kord, kui tekib närviimpulss, näeme iseloomulikku sära, mille järgi saame määrata neuroni aktiivsust. See võimaldab registreerida aktiivsust elusloomal käitumise ajal. Sellise tegevuse analüüs võimaldab meil mõista, kuidas hüdra närvisüsteem selle liikumist kontrollib. Sellistest uuringutest saadud analooge saab kasutada keerukamate loomade, näiteks imetajate liikumise kirjeldamiseks. Ja pikemas perspektiivis – neuroinsenerides, et luua uusi süsteeme närvitegevuse kontrollimiseks.

Neuroteaduse tähtsusest ühiskonnale

Miks on neuroteadus kaasaegse ühiskonna jaoks nii oluline? Esiteks on see võimalus töötada välja uusi ravimeetodeid neuroloogiliste haiguste jaoks. Kuidas leida ravi, kui te ei saa aru, kuidas see terve aju tasandil toimib? Minu juhendaja Pariisis Boriss Gutkin, kes töötab ka Moskva Kõrgemas Majanduskoolis, uurib kokaiini- ja alkoholisõltuvust. Tema töö on pühendatud nende muudatuste kirjeldamisele tugevdussüsteemis, mis põhjustavad sõltuvust. Teiseks on need uued tehnoloogiad – eelkõige neuroproteesimine. Näiteks inimene, kes jäi tänu ajju implanteeritud implantaadile ilma käeta, suudab kunstjäsemeid kontrollida. Aleksei Osadchiy HSE-st tegeleb aktiivselt selle valdkonnaga Venemaal. Kolmandaks, pikemas perspektiivis on see sisenemine IT-sse, nimelt masinõppetehnoloogiasse. Neljandaks on see hariduse valdkond. Miks me näiteks usume, et 45 minutit on koolis kõige tõhusam tunni pikkus? See probleem võib olla väärt paremat uurimist, kasutades kognitiivse neuroteaduse teadmisi. Nii saame paremini aru, kuidas saaksime koolides ja ülikoolides tõhusamalt õpetada ning kuidas oma tööpäeva efektiivsemalt planeerida.

Võrgustiku loomisest teaduses

Teaduses on teadlaste omavahelise suhtluse küsimus väga oluline. Võrgustiku loomine eeldab osalemist teaduskoolides ja konverentsidel, et olla kursis hetkeolukorraga. Teaduskool on nii suur pidu: kuuks ajaks leiad end teiste doktorantide ja järeldoktorantide hulgast. Teie õpingute ajal tulevad teie juurde kuulsad teadlased ja räägivad oma tööst. Samal ajal töötate individuaalse projekti kallal ja teid juhendab keegi kogenum. Sama oluline on säilitada head suhted oma juhiga. Kui magistrandil pole head soovituskirjad, siis tõenäoliselt teda praktikale vastu ei võeta. Praktika määrab, kas ta võetakse lõputööd kirjutama. Lõputöö tulemustest - edasine teaduselu. Igas sellises etapis küsitakse alati juhilt tagasisidet ja kui inimene ei töötanud väga hästi, saab see üsna kiiresti teada, seega on oluline oma mainet väärtustada.

Pikemaajaliste plaanide mõttes on mul plaanis teha mitu järeldoktorantuuri, enne kui leian püsiva töökoha ülikoolis või teaduslaboris. See eeldab piisaval hulgal väljaandeid, mis on hetkel töös. Kui kõik hästi läheb, on mul mõtted mõne aasta pärast Venemaale naasta, et korraldada siin oma labor või teadusgrupp.

Anatoli Buchin

Kus ta õppis: Polütehnilise Ülikooli füüsika- ja mehaanikateaduskond, Ecole Normale Supérieure Pariisis. Praegu järeldoktor Washingtoni ülikoolis.

Mida ta uurib: arvutuslik neuroteadus

Eriomadused: mängib saksofoni ja flööti, teeb joogat, reisib palju

Arvutuslikust neuroteadusest

Epilepsia kohta

Neuroteaduse tähtsusest ühiskonnale

Võrgustiku loomisest teaduses

Neurobioloogia uurib inimeste ja loomade närvisüsteemi, võttes arvesse närvisüsteemi ja aju ehituse, talitluse, arengu, füsioloogia, patoloogiate küsimusi. Neurobioloogia on väga lai teadusvaldkond, mis hõlmab paljusid valdkondi, näiteks neurofüsioloogiat, neurokeemiat, neurogeneetikat. Neurobioloogia on tihedalt seotud kognitiivteaduste, psühholoogiaga ning on üha enam mõjukas sotsiaalpsühholoogiliste nähtuste uurimisel.

Närvisüsteemi laiemalt ja konkreetselt aju uurimine võib toimuda molekulaarsel või rakutasandil, kui uuritakse üksikute neuronite ehitust ja talitlust, üksikute neuronite klastrite tasandil, aga ka neuronite tasandil. üksikud süsteemid (ajukoor, hüpotalamus jne) ja kogu närvisüsteem tervikuna, sealhulgas peaaju, seljaaju ja kogu inimkeha neuronite võrgustik.

Neuroteadlased suudavad lahendada täiesti erinevaid probleeme ja vastata mõnikord kõige ootamatumatele küsimustele. Kuidas taastada ajufunktsioon pärast insulti ja millised rakud inimese ajukoes selle evolutsiooni mõjutasid – kõik need küsimused on neuroteadlaste pädevuses. Ja veel: miks kohv kosutab, miks me näeme unenägusid ja kas neid on võimalik kontrollida, kuidas geenid määravad meie iseloomu ja vaimse struktuuri, kuidas mõjutab inimese närvisüsteemi toimimine maitsete ja lõhnade tajumist ning palju-palju muud.

Üks paljutõotav neurobioloogia uurimisvaldkond tänapäeval on teadvuse ja tegevuse vahelise seose uurimine, st kuidas mõte teo sooritamisest viib selle lõpuleviimiseni. Need arengud on aluseks põhimõtteliselt uute tehnoloogiate loomisele, millest meil praegu aimugi pole või mis hakkavad kiiresti arenema. Selle näiteks on tundlike jäsemeproteeside loomine, mis võivad täielikult taastada kaotatud jäseme funktsionaalsuse.

Asjatundjate hinnangul saab neuroteadlaste arendusi lisaks “tõsiste” probleemide lahendamisele peagi kasutada meelelahutuslikel eesmärkidel, näiteks arvutimängude tööstuses, et muuta need mängija jaoks veelgi realistlikumaks, spetsiaalsete spordieksoskeletonide loomisel. , samuti sõjatööstuses.

Neurobioloogia õppeteemad ei vähene vaatamata sellele, et selles valdkonnas on palju uuringuid ja teadusringkondade suurenenud huvi. Seetõttu peavad veel mitu põlvkonda teadlasi lahendama inimese ajus ja närvisüsteemis peituvaid saladusi.

Neuroteadlane on teadlane, kes töötab ühes neuroteaduse valdkonnas. Ta oskab tegeleda fundamentaalteadusega, st viia läbi uuringuid, vaatlusi ja eksperimente, kujundades uusi teoreetilisi käsitlusi, leida uusi üldisi mustreid, mis võivad selgitada konkreetsete juhtumite päritolu. Sel juhul huvitavad teadlast üldised küsimused aju struktuuri, neuronite interaktsiooni omaduste kohta, uurivad neuroloogiliste haiguste põhjuseid jne.

Teisest küljest saab teadlane pühenduda praktikale, otsustades, kuidas rakendada teadaolevaid põhiteadmisi konkreetsete probleemide lahendamisel, näiteks närvisüsteemi häiretega seotud haiguste ravis.

Iga päev seisavad spetsialistid silmitsi järgmiste probleemidega:

1. kuidas aju ja närvivõrgud töötavad erinevatel interaktsiooni tasanditel, alates rakutasandist kuni süsteemitasanditeni;

2. kuidas saab ajureaktsioone usaldusväärselt mõõta;

3. milliseid funktsionaalseid, anatoomilisi ja geneetilisi seoseid on võimalik jälgida neuronite töös erinevatel interaktsioonitasanditel;

4. milliseid ajutalitluse näitajaid võib meditsiinis pidada diagnostiliseks või prognostiliseks;

5. milliseid ravimeid tuleks välja töötada patoloogiliste seisundite ja närvisüsteemi neurodegeneratiivsete haiguste raviks ja kaitseks.

Kuidas saada spetsialistiks?

Lisaharidus

Lisateavet võimalike karjääri ettevalmistamise programmide kohta veel koolieas.

Kutsealane põhiharidus

Protsendid peegeldavad teatud haridustasemega spetsialistide jaotust tööturul. Rohelisega on märgitud eriala omandamise võtmespetsialiseerumisalad.

Võimed ja oskused

Töö teabega. Saadud info otsimise, töötlemise ja analüüsimise oskused
Integreeritud lähenemine probleemide lahendamisele. Oskus näha probleemi terviklikult, kontekstis ja sellest lähtuvalt valida selle lahendamiseks vajalik meetmete kogum
Programmeerimine. Koodi kirjutamise ja silumise oskus
Tähelepanekud. Teaduslike vaatluste läbiviimise, saadud tulemuste fikseerimise ja analüüsimise oskused
Teaduslikud oskused. Oskus rakendada loodusteaduste valdkonna teadmisi erialaste probleemide lahendamisel
Uurimisoskused. Oskus viia läbi uuringuid, korraldada katseid, koguda andmeid
Matemaatika oskused. Oskus rakendada matemaatilisi teoreeme ja valemeid erialaste ülesannete lahendamisel
Süsteemi hindamine. Oskus ehitada üles süsteem mis tahes nähtuse või objekti hindamiseks, valida hindamisindikaatorid ja nende põhjal hindamine läbi viia

Huvid ja eelistused

Analüütiline mõtlemine. Oskus analüüsida ja prognoosida olukorda, teha olemasolevate andmete põhjal järeldusi ning luua põhjus-tagajärg seoseid
Kriitiline mõtlemine. Kriitilise mõtlemise võime: kaaluge iga probleemi lahendamise lähenemisviisi plusse ja miinuseid, tugevusi ja nõrkusi ning iga võimalikku tulemust
Matemaatilised võimed. Matemaatika ja täppisteaduste oskus, matemaatiliste sätete ja teoreemide loogika mõistmine
Õppimisvõime. Oskus uut teavet kiiresti omastada ja edasises töös rakendada
Teabe assimilatsioon. Võimalus uut teavet kiiresti tajuda ja omastada
Mõtlemise paindlikkus. Võimalus töötada samaaegselt mitme reegliga, neid kombineerida ja tuletada kõige asjakohasem käitumismudel
Avatus uutele asjadele. Võimalus olla kursis uue tehnilise teabe ja tööalaste teadmistega
Visualiseerimine. Kujutluses detailsete kujutiste loomine nendest objektidest, mida on vaja töö tulemusena saada
Teabe korrastamine. Võimalus korraldada andmeid, teavet ja asju või toiminguid kindlas järjekorras vastavalt konkreetsele reeglile või reeglistikule
Tähelepanu detailidele. Võimalus keskenduda ülesannete täitmisel detailidele
Mälu. Võimalus kiiresti meelde jätta märkimisväärsed kogused teavet

Elukutse inimestes

Olga Martõnova

Aleksander Surin

Aju mass moodustab 3-5% inimese kogukaalust. Ja see on suurim aju ja kehamassi suhe loomariigis.

Kutsealale saab siseneda tehnilise ja matemaatilise haridusega, kuna üha enam vajatakse spetsialiste, kes tunnevad suurte andmemahtude statistilise analüüsi keerulisi meetodeid ja oskavad töötada suurandmetega.

Neuroteadlased võivad leida tööd neuroloogia, neuropsühhiaatria jne osakondades. Moskva linna kliinikud ja kliinikud. Teadusorganisatsioonides tõstavad neurobioloogia valdkonna spetsialistid närvisüsteemi talitluse tervise ja haiguste teadusuuringute taset; raviasutustes parandavad need haiguste diagnoosimise kvaliteeti ja lühendavad diagnoosi panemiseks kuluvat aega; aitab kaasa progressiivsete ravistrateegiate väljatöötamisele.

Aju ja närvisüsteem tervikuna on ehk keha kõige keerulisem süsteem. 70% inimese genoomist tagab aju moodustumise ja toimimise. Inimese ajus leidub üle 100 miljardi rakutuuma, mis on rohkem kui tähtede arv kosmose nähtavas piirkonnas.

Tänapäeval on teadlased ja arstid õppinud siirdama ja asendama peaaegu kõiki inimkeha kudesid ja organeid. Iga päev tehakse palju neeru-, maksa- ja isegi südamesiirdamise operatsioone. Peasiirdamise operatsioon õnnestus aga vaid ühel korral, kui nõukogude kirurg V. Demihhov siirdas tervele koerale teise pea. Teadaolevalt viis ta koertega läbi palju sarnaseid katseid ja ühel juhul elas selline kahepealine olend ligi kuu. Tänapäeval tehakse sarnaseid katseid ka loomadega, otsitakse meetodeid aju ja seljaaju liitmiseks siirdamise käigus, mis on seda tüüpi operatsioonide puhul kõige olulisem probleem, kuid seni pole teadlased selliste operatsioonide teostamisest kaugel. inimesed. Pea- või ajusiirdamine võiks aidata halvatud inimesi, neid, kes ei suuda oma keha kontrollida, kuid lahtiseks jääb ka peasiirdamise eetika küsimus.