Neurostiinte - invatamant la distanta. Tineri oameni de știință: neurologul Anatoly Buchin despre calmari, modelarea creierului și beneficiile zilnice ale neuroștiinței Unde studiază pentru a deveni neuroștiință?

Ecologia conștiinței: Viața. S-a dovedit absolut că creierul nostru este un lucru extrem de plastic, iar antrenamentul individual îl afectează serios - într-o măsură mult mai mare decât predispozițiile înnăscute.

În comparație cu puii altor animale, putem spune că o persoană se naște cu un creier subdezvoltat: masa sa la un nou-născut este de numai 30% din masa creierului adult. Biologii evoluționari sugerează că trebuie să ne naștem prematur pentru ca creierul nostru să se dezvolte prin interacțiunea cu mediul. Jurnalistul științific Asya Kazantseva la prelegerea „De ce ar trebui să învețe creierul?” a vorbit în cadrul programului „Educația artistică 17/18”.

Despre procesul de învățare din punct de vedere al neurobiologiei

și a explicat cum se schimbă creierul sub influența experienței, precum și modul în care somnul și lenea sunt utile în timpul studiului.

Cine studiază fenomenul învăţării

Întrebarea de ce trebuie să învețe creierul este abordată de cel puțin două științe importante - neurobiologia și psihologia experimentală. Neurobiologia, care studiază sistemul nervos și ceea ce se întâmplă în creier la nivelul neuronilor în momentul învățării, cel mai adesea lucrează nu cu oameni, ci cu șobolani, melci și viermi. Psihologii experimentați încearcă să înțeleagă ce lucruri influențează capacitatea de învățare a unei persoane: de exemplu, îi dau o sarcină importantă care îi testează memoria sau capacitatea de învățare și văd cum se descurcă cu aceasta. Aceste științe s-au dezvoltat intens în ultimii ani.

Dacă ne uităm la învățare din punctul de vedere al psihologiei experimentale, este util să ne amintim că această știință este moștenitoarea behaviorismului, iar behavioriștii credeau că creierul este o cutie neagră și, în principiu, nu erau interesați de ceea ce se întâmplă în el. . Ei au perceput creierul ca pe un sistem care poate fi influențat de stimuli, după care se întâmplă un fel de magie în el și reacționează într-un anumit fel la acești stimuli. Behavioriştii au fost interesaţi de cum ar putea arăta această reacţie şi de ce ar putea-o influenţa. Ei credeau astaînvăţarea este o schimbare a comportamentului ca urmare a stăpânirii unor noi informaţii

Această definiție este încă folosită pe scară largă în știința cognitivă. Să presupunem că, dacă unui student i s-a dat lui Kant să citească și și-a amintit că există „un cer înstelat deasupra capului său și o lege morală în mine”, el a exprimat acest lucru la examen și i s-a dat un „A”, atunci a avut loc învățarea. .

Pe de altă parte, aceeași definiție se aplică și comportamentului iepurilor de mare (Aplysia). Oamenii de știință efectuează adesea experimente cu această moluște. Dacă șochezi o Aplysia în coadă, aceasta începe să se teamă de realitatea înconjurătoare și să-și retragă branhiile ca răspuns la stimuli slabi de care nu se temea înainte. Astfel, ea experimentează și o schimbare în comportament și învățare. Această definiție poate fi aplicată sistemelor biologice și mai simple. Să ne imaginăm un sistem de doi neuroni conectați printr-un contact. Dacă îi aplicăm două impulsuri de curent slabe, atunci conductivitatea sa se va schimba temporar și va deveni mai ușor pentru un neuron să trimită semnale către altul. Aceasta este și învățare la nivelul acestui mic sistem biologic. Astfel, din învățarea pe care o observăm în realitatea externă, putem construi o punte către ceea ce se întâmplă în creier. Conține neuroni, modificări în care ne afectează răspunsul la mediu, adică învățarea care a avut loc.

Cum funcționează creierul

Dar pentru a vorbi despre creier, trebuie să ai o înțelegere de bază a modului în care funcționează. La urma urmei, fiecare dintre noi are aceste un kilogram și jumătate de țesut nervos în cap. Creierul este format din 86 de miliarde de celule nervoase, sau neuroni. Un neuron tipic are un corp celular cu multe procese. Unele dintre procese sunt dendrite, care colectează informații și le transmit neuronului. Și un proces lung, axonul, îl transmite celulelor următoare. Transferul de informații în interiorul unei celule nervoase înseamnă un impuls electric care se deplasează de-a lungul procesului, ca printr-un fir. Un neuron comunică cu altul printr-un punct de contact numit „sinapsă”, semnalul călătorește prin substanțe chimice. Impulsul electric duce la eliberarea de molecule neurotransmitatoare: serotonina, dopamina, endorfine. Acestea se scurg prin fanta sinaptică, afectează receptorii următorului neuron și își schimbă starea funcțională - de exemplu, pe membrana sa se deschid canale prin care încep să treacă ionii de sodiu, clor, calciu, potasiu etc.. Acest lucru duce la care, la rândul său, se formează și o diferență de potențial pe ea, iar semnalul electric merge mai departe, la celula următoare.

Dar atunci când o celulă transmite un semnal către o altă celulă, cel mai adesea acest lucru nu este suficient pentru orice modificări vizibile de comportament, deoarece un semnal poate apărea și întâmplător din cauza unor perturbări în sistem. Pentru a face schimb de informații, celulele își transmit multe semnale între ele. Principalul parametru de codare din creier este frecvența impulsurilor: atunci când o celulă dorește să transmită ceva unei alte celule, începe să trimită sute de semnale pe secundă. Apropo, mecanismele de cercetare timpurii din anii 1960 și 70 au generat un semnal audio. Un electrod a fost implantat în creierul unui animal de experiment, iar prin viteza zgomotului de mitralieră care se auzea în laborator, se putea înțelege cât de activ era neuronul.

Sistemul de codificare a frecvenței impulsurilor funcționează la diferite niveluri de transmitere a informațiilor – chiar și la nivelul semnalelor vizuale simple. Avem pe retină conuri care răspund la diferite lungimi de undă: scurte (în manualul școlar se numesc albastru), medii (verde) și lungi (roșu). Când o anumită lungime de undă a luminii intră în retină, diferite conuri sunt excitate în grade diferite. Și dacă valul este lung, atunci conul roșu începe să trimită intens un semnal creierului, astfel încât să înțelegeți că culoarea este roșie. Totuși, aici nu este totul atât de simplu: spectrul de sensibilitate al conurilor se suprapune, iar cel verde se preface și el că a văzut așa ceva. Apoi creierul analizează acest lucru singur.

Cum creierul ia decizii

Principii similare cu cele folosite în cercetările mecanice moderne și experimentele pe animale cu electrozi implantați pot fi aplicate la acte comportamentale mult mai complexe. De exemplu, în creier există un așa-numit centru al plăcerii - nucleul accumbens. Cu cât această zonă este mai activă, cu atât subiectului îi place mai mult ceea ce vede și cu atât este mai mare probabilitatea ca acesta să vrea să o cumpere sau, de exemplu, să o mănânce. Experimentele cu un tomograf arată că, pe baza unei anumite activități a nucleului accumbens, se poate spune chiar înainte ca o persoană să își exprime decizia, de exemplu, cu privire la achiziționarea unei bluze, dacă o va cumpăra sau nu. După cum spune excelentul neurolog Vasily Klyucharyov, facem totul pentru a ne mulțumi neuronilor din nucleul accumbens.

Dificultatea este că în creierul nostru nu există o unitate de judecată; fiecare departament poate avea propria sa opinie despre ceea ce se întâmplă. Povestea asemănătoare cu sporii de conuri din retină se repetă cu lucruri mai complexe. Să presupunem că ai văzut o bluză, ți-a plăcut, iar nucleul tău accumbens emite semnale. Pe de altă parte, această bluză costă 9 mii de ruble, iar salariul este încă la o săptămână - și apoi amigdala ta, sau amigdala (centrul asociat în primul rând cu emoțiile negative), începe să-și emită impulsuri electrice: „Ascultă, există nu au mai rămas suficienți bani. Dacă cumpărăm această bluză acum, vom avea probleme.” Cortexul frontal ia o decizie în funcție de cine țipă mai tare - nucleul accumbens sau amigdala. Și aici este, de asemenea, important ca de fiecare dată ulterior să putem analiza consecințele la care a dus această decizie. Cert este că cortexul frontal comunică cu amigdala, cu nucleul accumbens și cu părțile creierului asociate cu memoria: ei îi spun ce s-a întâmplat după ultima dată când am luat o astfel de decizie. În funcție de aceasta, cortexul frontal poate acorda mai multă atenție ceea ce îi spun amigdala și nucleul accumbens. Așa se poate schimba creierul sub influența experienței.

De ce ne naștem cu creier mic?

Toți copiii umani se nasc subdezvoltați, literalmente prematuri în comparație cu puii oricărei alte specii. Niciun animal nu are o copilărie atât de lungă ca oamenii și nu au urmași care să se nască cu un creier atât de mic în raport cu masa creierului adult: la un nou-născut uman este de doar 30%.

Toți cercetătorii sunt de acord că suntem forțați să dăm naștere unor oameni imaturi din cauza dimensiunii impresionante a creierului lor. Explicația clasică este dilema obstetrică, adică povestea conflictului dintre postura verticală și capul mare. Pentru a da naștere unui copil cu un astfel de cap și creier mare, trebuie să aveți șolduri largi, dar este imposibil să le lărgiți la infinit, deoarece acest lucru va interfera cu mersul pe jos. Potrivit antropologului Holly Dunsworth, pentru a da pe lume copii mai maturi ar fi suficient să mărim lățimea canalului de naștere cu doar trei centimetri, dar evoluția a oprit totuși expansiunea șoldurilor la un moment dat. Biologii evoluționari au sugerat că poate ar trebui să ne naștem prematur pentru ca creierul nostru să se dezvolte în interacțiune cu mediul extern, deoarece uterul în ansamblu este destul de rar în stimuli.

Există un studiu faimos al lui Blackmore și Cooper. În anii 70, au făcut experimente cu pisoi: i-au ținut în întuneric de cele mai multe ori și i-au pus într-un cilindru luminat timp de cinci ore pe zi, unde au primit o imagine neobișnuită a lumii. Un grup de pisoi a văzut doar dungi orizontale timp de câteva luni, în timp ce un alt grup a văzut doar dungi verticale. Drept urmare, pisoii au avut mari probleme cu percepția realității. Unii s-au izbit de picioarele scaunelor pentru că nu vedeau linii verticale, alții le-au ignorat în același mod pe cele orizontale - de exemplu, nu au înțeles că masa are o margine. Au fost testate și jucate cu un băț. Dacă un pisoi a crescut printre linii orizontale, atunci vede și prinde bățul orizontal, dar pur și simplu nu îl observă pe cel vertical. Apoi au implantat electrozi în cortexul cerebral al pisicilor și s-au uitat la cum ar trebui să fie înclinat bastonul, astfel încât neuronii să înceapă să emită semnale. Este important ca o pisică adultă să nu se întâmple nimic în timpul unui astfel de experiment, dar lumea unui pisoi mic, al cărui creier tocmai învață să perceapă informațiile, poate fi distorsionată pentru totdeauna ca urmare a unui astfel de experiment. Neuronii care nu au fost niciodată afectați încetează să funcționeze.

Suntem obișnuiți să credem că, cu cât există mai multe conexiuni între diferiți neuroni și părți ale creierului uman, cu atât mai bine. Acest lucru este adevărat, dar cu anumite rezerve. Este necesar nu numai să existe o mulțime de conexiuni, dar să aibă o anumită legătură cu viața reală. Un copil de un an și jumătate are mult mai multe sinapse, adică contacte între neuronii din creier, decât un profesor de la Harvard sau Oxford. Problema este că acești neuroni sunt conectați haotic. La o vârstă fragedă, creierul se maturizează rapid, iar celulele sale formează zeci de mii de sinapse între toate și toți. Fiecare neuron își răspândește procesele în toate direcțiile și se agață de tot ceea ce poate ajunge. Dar apoi intră în joc principiul „folosește-l sau pierde-l”. Creierul trăiește în mediul înconjurător și încearcă să facă față diferitelor sarcini: copilul este învățat să coordoneze mișcările, să apuce un zornăitură etc. Când i se arată cum să mănânce cu o lingură, în cortexul său rămân conexiuni utile pentru a mânca cu o lingură, deoarece prin ele a condus impulsuri nervoase. Iar conexiunile care sunt responsabile pentru a arunca mizeria în toată camera devin mai puțin pronunțate pentru că părinții nu încurajează astfel de acțiuni.

Procesele de creștere a sinapselor sunt destul de bine studiate la nivel molecular. Eric Kandel a primit Premiul Nobel pentru ideea sa de a studia memoria la subiecți non-umani. O persoană are 86 de miliarde de neuroni și, până când un om de știință nu va înțelege acești neuroni, va trebui să epuizeze sute de subiecți. Și din moment ce nimeni nu permite atâtor oameni să-și deschidă creierul pentru a vedea cum au învățat să țină o lingură, Kandel a venit cu ideea de a lucra cu melci. Aplysia este un sistem foarte convenabil: puteți lucra cu el studiind doar patru neuroni. De fapt, această moluște are mai mulți neuroni, dar exemplul ei face mult mai ușor identificarea sistemelor asociate cu învățarea și memoria. În timpul experimentelor, Kandel și-a dat seama că memoria pe termen scurt este o creștere temporară a conductivității sinapselor existente, iar memoria pe termen lung constă în creșterea noilor conexiuni sinaptice.

Acest lucru s-a dovedit a fi aplicabil și pentru oameni - parcă mergem pe iarbă. La început nu ne interesează unde mergem pe câmp, dar treptat facem o potecă, care se transformă apoi într-un drum de pământ, iar apoi într-o stradă asfaltată și o autostradă cu trei benzi de iluminat. În mod similar, impulsurile nervoase își fac propriile căi în creier.

Cum se formează asociațiile

Creierul nostru este conceput astfel: formează conexiuni între evenimente care au loc simultan. De obicei, în timpul transmiterii unui impuls nervos, sunt eliberați neurotransmițători care acționează asupra receptorului, iar impulsul electric merge la următorul neuron. Dar există un receptor care nu funcționează așa, se numește NMDA. Acesta este unul dintre receptorii cheie pentru formarea memoriei la nivel molecular. Particularitatea sa este că funcționează dacă semnalul vine din ambele părți în același timp.

Toți neuronii duc undeva. Unul poate duce la o rețea neuronală mare care este conectată la sunetul unui cântec la modă într-o cafenea. Și altele - la o altă rețea legată de faptul că ai fost la o întâlnire. Creierul este conceput pentru a conecta cauza și efectul; la nivel anatomic, este capabil să-și amintească că există o legătură între un cântec și o întâlnire. Receptorul este activat și permite trecerea calciului. Începe să intre într-un număr mare de cascade moleculare care duc la funcționarea unor gene anterior inactive. Aceste gene realizează sinteza de noi proteine, iar o altă sinapsă crește. În acest fel, legătura dintre rețeaua neuronală responsabilă de cântec și rețeaua responsabilă de dată devine mai puternică. Acum chiar și un semnal slab este suficient pentru a trimite un impuls nervos și a forma o asociere.

Cum afectează învățarea creierul

Există o poveste faimoasă despre șoferii de taxi din Londra. Nu știu cum e acum, dar literalmente acum câțiva ani, pentru a deveni un adevărat șofer de taxi la Londra, trebuia să treci un examen de orientare în oraș fără navigator - adică să știi cel puțin doi și o jumătate de mie de străzi, trafic cu sens unic, indicatoare rutiere, interdicții la oprire și, de asemenea, să poată construi traseul optim. Prin urmare, pentru a deveni șofer de taxi londonez, oamenii au urmat cursuri de câteva luni. Cercetătorii au recrutat trei grupuri de oameni. Un grup este cei înscriși la cursuri pentru a deveni șoferi de taxi. Al doilea grup sunt cei care au urmat și cursuri, dar au abandonat. Iar cei din grupa a treia nici nu s-au gândit să devină taximetriști. Oamenii de știință au efectuat scanări CT pentru toate cele trei grupuri pentru a analiza densitatea materiei cenușii din hipocamp. Aceasta este o zonă importantă a creierului asociată cu formarea memoriei și gândirea spațială. S-a constatat că, dacă o persoană nu a vrut să devină șofer de taxi sau a vrut, dar nu a făcut-o, atunci densitatea materiei cenușii din hipocampul său a rămas aceeași. Dar dacă dorea să devină șofer de taxi, să termine o pregătire și să stăpânească cu adevărat o nouă profesie, atunci densitatea materiei cenușii a crescut cu o treime - asta este mult.

Și deși nu este complet clar unde este cauza și unde este efectul (fie oamenii au stăpânit cu adevărat o nouă abilitate, fie această zonă a creierului a fost inițial bine dezvoltată pentru ei și, prin urmare, le-a fost ușor să învețe), creierul nostru este cu siguranță un lucru extrem de plastic, iar antrenamentul individual îl influențează serios - într-o măsură mult mai mare decât predispozițiile înnăscute. Este important ca și la 60 de ani, învățarea afectează creierul. Desigur, nu la fel de eficient și rapid ca la 20 de ani, dar, în general, creierul își păstrează o anumită capacitate de plasticitate pe tot parcursul vieții.

De ce ar trebui creierul să fie leneș și să doarmă?

Când creierul învață ceva, creează noi conexiuni între neuroni.Și acest proces este lent și costisitor; necesită cheltuirea multor calorii, zahăr, oxigen și energie. În general, creierul uman, în ciuda faptului că greutatea sa este de doar 2% din greutatea întregului corp, consumă aproximativ 20% din toată energia pe care o primim. Prin urmare, ori de câte ori este posibil, încearcă să nu învețe nimic, să nu irosească energie. De fapt, este foarte drăguț din partea lui, pentru că dacă am memorat tot ce vedem în fiecare zi, am înnebuni destul de repede.

În învățare, din punctul de vedere al creierului, există două puncte fundamental importante. Primul este că, când stăpânim orice abilitate, ne devine mai ușor să facem lucrurile bine decât greșite. De exemplu, înveți să conduci o mașină cu transmisie manuală și la început nu-ți pasă dacă treci de la prima la a doua sau de la prima la a patra. Pentru mâna și creierul tău, toate aceste mișcări sunt la fel de probabile; Nu contează pentru tine în ce mod să-ți trimiți impulsurile nervoase. Și când ești deja un șofer mai experimentat, îți este mai ușor din punct de vedere fizic să schimbi treptele corect. Dacă intrați într-o mașină cu un design fundamental diferit, va trebui din nou să vă gândiți și să controlați cu un efort de voință, astfel încât impulsul să nu meargă pe drumul bătut.

Al doilea punct important:

principalul lucru în învățare este somnul

Are multe funcții: menținerea sănătății, imunității, metabolismului și diverse aspecte ale funcției creierului. Dar toți neurologii sunt de acord cu asta Cea mai importantă funcție a somnului este lucrul cu informații și învățare. Când am stăpânit o abilitate, vrem să ne formăm memoria pe termen lung. Noile sinapse durează câteva ore pentru a crește; acesta este un proces lung și este cel mai convenabil pentru creier să facă acest lucru exact atunci când nu ești ocupat cu nimic. În timpul somnului, creierul prelucrează informațiile primite în timpul zilei și șterge din el ceea ce ar trebui să fie uitat.

Există un experiment cu șobolani în care au fost învățați să meargă printr-un labirint cu electrozi implantați în creier și au descoperit că în somn și-au repetat drumul prin labirint, iar a doua zi au mers mai bine pe el. Multe teste umane au arătat că ceea ce învățăm înainte de a merge la culcare este amintit mai bine decât ceea ce învățăm dimineața. Se pare că studenții care încep să se pregătească pentru examen undeva mai aproape de miezul nopții fac totul bine. Din același motiv, este important să te gândești la probleme înainte de a merge la culcare. Desigur, va fi mai greu să adormi, dar vom descărca întrebarea în creier și poate dimineața va veni o soluție. Apropo, visele sunt cel mai probabil doar un efect secundar al procesării informațiilor.

Cum depinde învățarea de emoții

Învățarea depinde în mare măsură de atenție, deoarece își propune să trimită impulsuri din nou și din nou pe căi specifice ale rețelei neuronale. Dintr-o cantitate imensă de informații, ne concentrăm pe ceva și îl luăm în memoria de lucru. Apoi, ceea ce ne concentrăm ajunge în memoria pe termen lung. Poate că ați înțeles întreaga mea prelegere, dar asta nu înseamnă că vă va fi ușor să o repovestiți. Și dacă desenezi o bicicletă pe o bucată de hârtie chiar acum, asta nu înseamnă că va merge bine. Oamenii tind să uite detalii importante, mai ales dacă nu sunt experți în biciclete.

Copiii au avut întotdeauna probleme cu atenția. Dar acum, în acest sens, totul devine mai simplu. În societatea modernă, cunoștințele concrete specifice nu mai sunt atât de necesare - pur și simplu există o cantitate incredibilă. Mult mai importantă este capacitatea de a naviga rapid în informații și de a distinge sursele de încredere de cele nesigure. Aproape că nu mai trebuie să ne concentrăm mult timp asupra aceluiași lucru și să ne amintim cantități mari de informații - Este mai important să comutați rapid.În plus, din ce în ce mai multe profesii apar acum doar pentru persoanele cărora le este mai greu să se concentreze.

Există un alt factor important care influențează învățarea - emoțiile. De fapt, acesta este, în general, principalul lucru pe care l-am avut de-a lungul a milioane de ani de evoluție, chiar înainte de a crește tot acest cortex frontal uriaș. Evaluăm valoarea stăpânirii unei anumite abilități din punctul de vedere dacă ne face fericiți sau nu. Prin urmare, este grozav dacă reușim să implicăm mecanismele noastre emoționale biologice de bază în învățare. De exemplu, construirea unui sistem de motivare în care cortexul frontal nu crede că trebuie să învățăm ceva prin perseverență și determinare, ci în care nucleul accumbens spune că pur și simplu îi face plăcere această activitate.

Anatoly Buchin

Unde a studiat: Facultatea de Fizică și Mecanică a Universității Politehnice, Ecole Normale Supérieure din Paris. În prezent, este postdoctorat la Universitatea din Washington.

Ce studiază: neuroștiința computațională

Caracteristici speciale: cântă la saxofon și la flaut, face yoga, călătorește mult

Interesul meu pentru știință a apărut în copilărie: am fost fascinat de insecte, le-am cules, le-am studiat stilul de viață și biologia. Mama a observat acest lucru și m-a adus la Laboratorul de Ecologie a Bentosului Marin (LEMB) (bentosul este o colecție de organisme care trăiesc pe pământ și în solul fundului rezervoarelor. - Notă ed.) la Palatul Orașului Sankt Petersburg al Creativității Tineretului. În fiecare vară, din clasa a 6-a până în clasa a XI-a, am plecat în expediții la Marea Albă în Rezervația Naturală Kandalaksha pentru a observa animale nevertebrate și a le măsura numărul. În același timp, am participat la olimpiade biologice pentru școlari și am prezentat rezultatele muncii mele în expediții ca cercetare științifică. În liceu, am devenit interesat de programare, dar să o fac exclusiv nu a fost foarte interesant. Eram bun la fizică și am decis să găsesc o specializare care să combine fizica și biologia. Așa am ajuns la Politehnică.

Prima dată când am venit în Franța după diploma de licență a fost când am câștigat o bursă pentru a studia pentru un program de master la Universitatea René Descartes din Paris. Am internat mult în laboratoare și am învățat să înregistrez activitatea neuronală în felii de creier și să analizez răspunsurile celulelor nervoase din cortexul vizual al unei pisici în timpul prezentării unui stimul vizual. După ce am primit diploma de master, m-am întors la Sankt Petersburg pentru a-mi finaliza studiile la Universitatea Politehnică. În ultimul an de master, eu și conducătorul meu am pregătit un proiect ruso-francez pentru redactarea unei dizertații și am câștigat finanțare participând la concursul École Normale Supérieure. În ultimii patru ani am lucrat sub dublă supraveghere științifică - Boris Gutkin la Paris și Anton Chizhov la Sankt Petersburg. Cu puțin timp înainte de a-mi termina dizertația, am fost la o conferință în Chicago și am aflat despre o poziție postdoctorală la Universitatea din Washington. După interviu, am decis să lucrez aici pentru următorii doi sau trei ani: mi-a plăcut proiectul, iar noul meu supervizor, Adrienne Fairhall, și eu am avut interese științifice similare.

Despre neuroștiința computațională

Obiectul de studiu al neurobiologiei computaționale este sistemul nervos, precum și partea sa cea mai interesantă - creierul. Pentru a explica ce legătură are modelarea matematică cu ea, trebuie să vorbim puțin despre istoria acestei tinere științe. La sfârșitul anilor 80, revista Science a publicat un articol în care au început să vorbească pentru prima dată despre neurobiologia computațională, un nou domeniu interdisciplinar al neuroștiinței care se ocupă cu descrierea informațiilor și a proceselor dinamice din sistemul nervos.

În multe privințe, temelia acestei științe a fost pusă de biofizicianul Alan Hodgkin și de neurofiziologul Andrew Huxley (fratele lui Aldous Huxley. - Notă ed.). Ei au studiat mecanismele de generare și transmitere a impulsurilor nervoase în neuroni, alegând calmarul ca organism model. La acea vreme, microscoapele și electrozii erau departe de cei moderni, iar calmarii aveau axoni atât de groși (procesele prin care circulă impulsurile nervoase) încât erau vizibili chiar și cu ochiul liber. Acest lucru a ajutat axonii de calmar să devină un model experimental util. Descoperirea lui Hodgkin și Huxley a fost că aceștia au explicat, folosind un experiment și un model matematic, că generarea unui impuls nervos se realizează prin modificarea concentrației ionilor de sodiu și potasiu care trec prin membranele neuronilor. Ulterior, s-a dovedit că acest mecanism este universal pentru neuronii multor animale, inclusiv pentru oameni. Sună neobișnuit, dar prin studierea calmarilor, oamenii de știință au reușit să învețe modul în care neuronii transmit informații la oameni. Hodgkin și Huxley au primit Premiul Nobel pentru descoperirea lor în 1963.

Sarcina neurobiologiei computaționale este de a sistematiza o cantitate imensă de date biologice despre informațiile și procesele dinamice care au loc în sistemul nervos. Odată cu dezvoltarea de noi metode de înregistrare a activității neuronale, cantitatea de date despre funcția creierului crește în fiecare zi. Volumul cărții „Principii ale științei neuronale” de la laureatul Nobel Eric Kandel, care prezintă informații de bază despre activitatea creierului, crește cu fiecare nouă ediție: cartea a început cu 470 de pagini, iar acum dimensiunea ei este de peste 1.700. pagini. Pentru a sistematiza un astfel de set imens de fapte, sunt necesare teorii.

Despre epilepsie

Aproximativ 1% din populația lumii suferă de epilepsie - adică 50-60 de milioane de oameni. Una dintre metodele de tratament radical este eliminarea zonei creierului de unde provine atacul. Dar nu este atât de simplu. Aproximativ jumătate din epilepsia la adulți apare în lobul temporal al creierului, care este conectat la hipocamp. Această structură este responsabilă pentru formarea de noi amintiri. Dacă cei doi hipocampi ai unei persoane sunt tăiați de fiecare parte a creierului, ei își vor pierde capacitatea de a-și aminti lucruri noi. Va fi ca o zi continuă a marmotei, deoarece o persoană își va putea aminti ceva doar timp de 10 minute. Esența cercetării mele a fost să prezic modalități mai puțin radicale, dar alte posibile și eficiente de a combate epilepsia. În teza mea, am încercat să înțeleg cum începe o criză de epilepsie.

Pentru a înțelege ce se întâmplă cu creierul în timpul unui atac, imaginează-ți că ai venit la un concert și la un moment dat sala a explodat de aplauze. Aplazi în propriul tău ritm, iar oamenii din jurul tău aplaudă într-un ritm diferit. Dacă destui oameni încep să aplaude în același mod, îți va fi greu să-ți ții ritmul și probabil vei ajunge să aplaude împreună cu toți ceilalți. Epilepsia funcționează într-un mod similar atunci când neuronii din creier încep să devină foarte sincronizați, adică să genereze impulsuri în același timp. Acest proces de sincronizare poate implica zone întregi ale creierului, inclusiv cele care controlează mișcarea, provocând convulsii. Deși majoritatea crizelor se caracterizează prin absența crizelor, deoarece epilepsia nu apare întotdeauna în zonele motorii.

Să presupunem că doi neuroni sunt conectați prin conexiuni excitatorii în ambele direcții. Un neuron trimite un impuls altuia, care îl excită și trimite impulsul înapoi. Dacă conexiunile excitatorii sunt prea puternice, aceasta va duce la o creștere a activității datorită schimbului de impulsuri. În mod normal, acest lucru nu se întâmplă, deoarece există neuroni inhibitori care reduc activitatea celulelor excesiv de active. Dar dacă inhibiția încetează să funcționeze corect, poate duce la epilepsie. Acest lucru se datorează adesea acumulării excesive de clor în neuroni. În munca mea, am dezvoltat un model matematic al unei rețele de neuroni care poate intra în modul epilepsie din cauza patologiei inhibiției asociate cu acumularea de clor în interiorul neuronilor. In aceasta am fost ajutat de inregistrari ale activitatii neuronilor in tesutul uman obtinute in urma operatiilor la pacientii epileptici. Modelul construit ne permite să testăm ipoteze privind mecanismele epilepsiei pentru a clarifica detaliile acestei patologii. S-a dovedit că restabilirea echilibrului clorului în neuronii piramidali poate ajuta la oprirea unui atac epileptic prin restabilirea echilibrului excitației - inhibiție în rețeaua de neuroni. Al doilea supervizor al meu, Anton Chizhov de la Institutul Fizico-Tehnic din Sankt Petersburg, a primit recent un grant de la Fundația Rusă pentru Știință pentru studiul epilepsiei, așa că această linie de cercetare va continua în Rusia.

Astăzi există o mulțime de lucrări interesante în domeniul neuroștiinței computaționale. De exemplu, în Elveția există un Blue Brain Project, al cărui scop este să descrie cât mai detaliat o mică parte a creierului - cortexul somatosenzorial al șobolanului, care este responsabil de efectuarea mișcărilor. Chiar și în creierul mic al unui șobolan există miliarde de neuroni și toți sunt conectați unul la altul într-un anumit fel. De exemplu, în cortex, un neuron piramidal formează conexiuni cu aproximativ 10.000 de alți neuroni. Proiectul Blue Brain a înregistrat activitatea a aproximativ 14.000 de celule nervoase, le-a caracterizat forma și a reconstruit aproximativ 8.000.000 de conexiuni între ele. Apoi, folosind algoritmi speciali, au conectat neuronii împreună într-un mod biologic plauzibil, astfel încât activitatea să poată apărea într-o astfel de rețea. Modelul a confirmat principiile găsite teoretic ale organizării corticale - de exemplu, echilibrul dintre excitație și inhibiție. Și acum în Europa există un mare proiect numit Human Brain Project. Trebuie să descrie întregul creier uman, ținând cont de toate datele disponibile astăzi. Acest proiect internațional este un fel de Large Hadron Collider din neuroștiință, deoarece la el participă aproximativ o sută de laboratoare din peste 20 de țări.

Criticii Proiectului Blue Brain și Human Brain Project au pus la îndoială cât de importantă este cantitatea de detalii pentru a descrie modul în care funcționează creierul. Pentru comparație, cât de importantă este descrierea Nevsky Prospekt din Sankt Petersburg pe o hartă unde sunt vizibile doar continentele? Cu toate acestea, încercarea de a reuni o cantitate imensă de date este cu siguranță importantă. În cel mai rău caz, chiar dacă nu înțelegem pe deplin cum funcționează creierul, după ce am construit un astfel de model, îl putem folosi în medicină. De exemplu, pentru a studia mecanismele diferitelor boli și a modela acțiunea noilor medicamente.

În SUA, proiectul meu este dedicat studierii sistemului nervos al Hydra. În ciuda faptului că chiar și în manualele școlare de biologie este unul dintre primele studiate, sistemul său nervos este încă puțin înțeles. Hidra este o rudă a meduzei, deci este la fel de transparentă și are un număr relativ mic de neuroni - de la 2 la 5 mii. Prin urmare, este posibil să se înregistreze simultan activitatea din aproape toate celulele sistemului nervos. În acest scop, se folosește un instrument precum „imagini cu calciu”. Faptul este că de fiecare dată când un neuron se descarcă, concentrația sa de calciu în interiorul celulei se modifică. Dacă adăugăm o vopsea specială care începe să strălucească atunci când concentrația de calciu crește, atunci de fiecare dată când este generat un impuls nervos vom vedea o strălucire caracteristică, prin care putem determina activitatea neuronului. Acest lucru permite înregistrarea activității la un animal viu în timpul comportamentului. Analiza unei astfel de activități ne va permite să înțelegem modul în care sistemul nervos al hidrei își controlează mișcarea. Analogiile obținute în urma unor astfel de cercetări pot fi folosite pentru a descrie mișcarea animalelor mai complexe, cum ar fi mamiferele. Și pe termen lung - în neuroinginerie pentru a crea noi sisteme pentru controlul activității nervoase.

Despre importanța neuroștiinței pentru societate

De ce este neuroștiința atât de importantă pentru societatea modernă? În primul rând, este o oportunitate de a dezvolta noi tratamente pentru bolile neurologice. Cum poți găsi un remediu dacă nu înțelegi cum funcționează la nivelul întregului creier? Supraveghetorul meu la Paris, Boris Gutkin, care lucrează și la Școala Superioară de Economie din Moscova, studiază dependența de cocaină și alcool. Lucrarea sa este dedicată descrierii acelor schimbări în sistemul de întărire care duc la dependență. În al doilea rând, acestea sunt tehnologii noi - în special, neuroprotetice. De exemplu, o persoană care a rămas fără braț, datorită unui implant implantat în creier, va putea controla membrele artificiale. Alexey Osadchiy de la HSE este implicat activ în acest domeniu în Rusia. În al treilea rând, pe termen lung, aceasta este o intrare în IT, și anume tehnologia machine learning. În al patrulea rând, aceasta este sfera educației. De ce, de exemplu, credem că 45 de minute este cea mai eficientă durată de lecție din școală? Această problemă ar putea merita să fie explorată mai bine folosind perspective din neuroștiința cognitivă. În acest fel, putem înțelege mai bine cum putem preda mai eficient în școli și universități și cum să ne planificăm ziua de lucru mai eficient.

Despre crearea de rețele în știință

În știință, problema comunicării dintre oamenii de știință este foarte importantă. Crearea de rețele necesită participarea la școli și conferințe științifice pentru a fi la curent cu situația actuală. Școala științifică este o petrecere atât de mare: timp de o lună te regăsești printre alți doctoranzi și postdoc. În timpul studiilor tale, oameni de știință celebri vin la tine și vorbesc despre munca lor. În același timp, lucrezi la un proiect individual și ești supravegheat de cineva mai experimentat. Este la fel de important să menții o relație bună cu managerul tău. Dacă un student de master nu are scrisori de recomandare bune, este puțin probabil să fie acceptat pentru un stagiu. Stagiul de practică stabilește dacă va fi angajat să-și scrie dizertația. Din rezultatele disertației - viața științifică în continuare. În fiecare dintre aceste etape, ei solicită întotdeauna feedback de la manager, iar dacă o persoană nu a lucrat foarte bine, acest lucru va deveni cunoscut destul de repede, așa că este important să-ți prețuiești reputația.

În ceea ce privește planurile pe termen lung, plănuiesc să fac mai multe postdoc înainte de a găsi un post permanent la o universitate sau un laborator de cercetare. Acest lucru necesită un număr suficient de publicații, care sunt în curs de desfășurare. Dacă totul merge bine, mă gândesc să mă întorc în Rusia peste câțiva ani pentru a-mi organiza aici propriul meu laborator sau grup științific.

Anatoly Buchin

Unde a studiat: Facultatea de Fizică și Mecanică a Universității Politehnice, Ecole Normale Supérieure din Paris. În prezent, este postdoctorat la Universitatea din Washington.

Ce studiază: neuroștiința computațională

Caracteristici speciale: cântă la saxofon și la flaut, face yoga, călătorește mult

Despre neuroștiința computațională

Despre epilepsie

Despre importanța neuroștiinței pentru societate

Despre crearea de rețele în știință

Neurobiologia studiază sistemul nervos al oamenilor și animalelor, luând în considerare aspectele de structură, funcționare, dezvoltare, fiziologie, patologia sistemului nervos și a creierului. Neurobiologia este un domeniu științific foarte larg, care acoperă multe domenii, de exemplu, neurofiziologie, neurochimie, neurogenetică. Neurobiologia este strâns legată de științele cognitive, psihologia și este din ce în ce mai influentă în studiul fenomenelor socio-psihologice.

Studiul sistemului nervos în general și al creierului în special se poate desfășura la nivel molecular sau celular, atunci când se studiază structura și funcționarea neuronilor individuali, la nivelul clusterelor individuale de neuroni, precum și la nivelul sisteme individuale (cortexul cerebral, hipotalamus etc.) și întregul sistem nervos ca întreg, inclusiv creierul, măduva spinării și întreaga rețea de neuroni din corpul uman.

Oamenii în neuroștiință pot rezolva probleme complet diferite și pot răspunde, uneori, la cele mai neașteptate întrebări. Cum să restabiliți funcția creierului după un accident vascular cerebral și care celule din țesutul creierului uman au influențat evoluția acestuia - toate aceste întrebări sunt de competența neurologilor. Și, de asemenea: de ce cafeaua revigorează, de ce vedem vise și dacă ele pot fi controlate, cum genele ne determină caracterul și structura mentală, modul în care funcționarea sistemului nervos uman afectează percepția gusturilor și a mirosurilor și multe, multe altele.

Unul dintre domeniile promițătoare de cercetare în neurobiologie de astăzi este studiul conexiunii dintre conștiință și acțiune, adică modul în care gândul de a efectua o acțiune duce la finalizarea acesteia. Aceste evoluții stau la baza creării de tehnologii fundamental noi, despre care în prezent habar n-avem, sau care încep să se dezvolte rapid. Un exemplu în acest sens este crearea de proteze de membre sensibile care pot restabili complet funcționalitatea unui membru pierdut.

Potrivit experților, pe lângă rezolvarea problemelor „serioase”, evoluțiile oamenilor de știință în neuroștiință pot fi utilizate în curând în scopuri de divertisment, de exemplu, în industria jocurilor pe computer pentru a le face și mai realiste pentru jucător, în crearea de exoschelete sportive speciale. , precum și în industria militară.

Subiectele de studiu în neurobiologie, în ciuda multor cercetări în acest domeniu și a interesului sporit din partea comunității științifice, nu se micșorează. Prin urmare, alte câteva generații de oameni de știință vor trebui să rezolve misterele care se află în creierul uman și în sistemul nervos.

Un neuroștiință este un om de știință care lucrează într-unul dintre domeniile neuroștiinței. El se poate angaja în știința fundamentală, adică să efectueze cercetări, observații și experimente, formând noi abordări teoretice, găsind noi modele generale care pot explica originea unor cazuri particulare. În acest caz, omul de știință este interesat de întrebări generale despre structura creierului, caracteristicile interacțiunii neuronilor, studiază cauzele bolilor neurologice etc.

Pe de altă parte, un om de știință se poate dedica practicii, hotărând cum să aplice cunoștințele fundamentale cunoscute pentru a rezolva probleme specifice, de exemplu, în tratamentul bolilor asociate cu tulburările sistemului nervos.

În fiecare zi, specialiștii se confruntă cu următoarele probleme:

1. modul în care creierul și rețelele neuronale funcționează la diferite niveluri de interacțiune, de la nivel celular la nivel de sistem;

2. cum pot fi măsurate în mod fiabil reacțiile creierului;

3. ce conexiuni, funcționale, anatomice și genetice, pot fi urmărite în activitatea neuronilor la diferite niveluri de interacțiune;

4. ce indicatori ai funcției cerebrale pot fi considerați diagnostici sau prognostici în medicină;

5. ce medicamente ar trebui dezvoltate pentru tratamentul și protecția stărilor patologice și a bolilor neurodegenerative ale sistemului nervos.

Cum să devii specialist?

Educatie suplimentara

Aflați mai multe despre posibilele programe de pregătire pentru carieră încă de la vârsta școlară.

Învățământul profesional de bază

Procentele reflectă distribuția specialiștilor cu un anumit nivel de educație pe piața muncii. Specializările cheie pentru stăpânirea profesiei sunt marcate cu verde.

Abilități și aptitudini

Lucrul cu informații. Abilități în căutarea, procesarea și analiza informațiilor primite
O abordare integrată a rezolvării problemelor. Capacitatea de a vedea o problemă în mod cuprinzător, în context și, pe baza acestuia, de a selecta pachetul de măsuri necesare pentru a o rezolva
Programare. Abilități în scrierea codului și depanarea acestuia
Observatii. Abilități în efectuarea de observații științifice, înregistrarea rezultatelor obținute și analizarea acestora
Abilități științifice. Capacitatea de a aplica cunoștințele din domeniul științelor naturii la rezolvarea problemelor profesionale
Abilități de cercetare. Abilitatea de a efectua cercetări, de a crea experimente, de a colecta date
Abilități de matematică. Abilitatea de a aplica teoreme și formule matematice la rezolvarea problemelor profesionale
Evaluarea sistemului. Capacitatea de a construi un sistem de evaluare a oricărui fenomen sau obiect, de a selecta indicatorii de evaluare și de a efectua o evaluare pe baza acestora

Interese și preferințe

Gandire analitica. Abilitatea de a analiza și prognoza o situație, de a trage concluzii pe baza datelor disponibile și de a stabili relații cauză-efect
Gândire critică. Abilitatea de a gândi critic: cântărește argumentele pro și contra, punctele tari și punctele slabe ale fiecărei abordări pentru rezolvarea unei probleme și a fiecărui rezultat posibil
Abilitati matematice. Abilitate în matematică și științe exacte, înțelegerea logicii prevederilor și teoremelor matematice
Abilitate de învățare. Capacitatea de a asimila rapid informații noi și de a le aplica în activități ulterioare
Asimilarea informațiilor. Abilitatea de a percepe și asimila rapid informații noi
Flexibilitatea gândirii. Abilitatea de a opera cu mai multe reguli simultan, de a le combina și de a deriva cel mai relevant model de comportament
Deschidere către lucruri noi. Abilitatea de a rămâne la curent cu noile informații tehnice și cunoștințe legate de muncă
Vizualizarea. Crearea în imaginație a imaginilor detaliate ale acelor obiecte care trebuie obținute ca urmare a lucrării
Organizarea informatiilor. Abilitatea de a organiza datele, informațiile și lucrurile sau acțiunile într-o anumită ordine, în conformitate cu o anumită regulă sau un set de reguli
Atentie la detalii. Capacitatea de a se concentra asupra detaliilor atunci când îndeplinesc sarcini
Memorie. Abilitatea de a-și aminti rapid cantități semnificative de informații

Profesia în persoane

Olga Martynova

Alexandru Surin

Greutatea creierului este de 3-5% din greutatea totală a unei persoane. Și acesta este cel mai mare raport de greutate creier-corp din regnul animal.

Poți intra în profesie cu o educație tehnică și matematică, întrucât sunt din ce în ce mai solicitați specialiști care cunosc metode complexe de analiză statistică a unor volume mari de date și care pot lucra cu Big Data.

Oamenii de știință pot găsi de lucru în departamentele de neurologie, neuropsihiatrie etc. Clinici și clinici ale orașului Moscova. În organizațiile științifice, specialiștii din domeniul neurobiologiei vor crește nivelul cercetării științifice privind funcționarea sistemului nervos în sănătate și boală; în instituțiile medicale vor îmbunătăți calitatea diagnosticului bolilor și vor reduce timpul de realizare a diagnosticelor; va contribui la dezvoltarea strategiilor de tratament progresiv.

Creierul și sistemul nervos în ansamblu sunt poate cel mai complex sistem din organism. 70% din genomul uman asigură formarea și funcționarea creierului. Peste 100 de miliarde de nuclee celulare se găsesc în creierul uman, ceea ce este mai mult decât numărul de stele din regiunea vizibilă a spațiului.

Astăzi, oamenii de știință și medicii au învățat să transplanteze și să înlocuiască aproape orice țesut și orice organ din corpul uman. În fiecare zi, sunt efectuate multe operații de transplant de rinichi, ficat și chiar inimă. Cu toate acestea, o operație de transplant de cap a avut succes o singură dată, când chirurgul sovietic V. Demikhov a transplantat un al doilea cap într-un câine sănătos. Se știe că a efectuat multe experimente similare pe câini și, într-un caz, o astfel de creatură cu două capete a trăit aproape o lună. Astăzi se fac experimente similare și pe animale; se caută metode de fuziune a creierului și măduvei spinării în timpul transplantului, care este cea mai importantă problemă în acest tip de operație, dar până acum oamenii de știință sunt departe de a efectua astfel de operații pe oameni. Transplantele de cap sau de creier ar putea ajuta persoanele paralizate, cei care nu-și pot controla corpul, dar și chestiunea eticii transplanturilor de cap rămâne deschisă.