Neurovedy – dištančné vzdelávanie. Mladí vedci: neurovedec Anatoly Buchin o chobotniciach, modelovaní mozgu a každodenných výhodách neurovedy Kde študujú, aby sa stali neurovedcami?

Ekológia vedomia: Život. Je absolútne dokázané, že náš mozog je divoko plastická vec a individuálny tréning ho vážne ovplyvňuje – v oveľa väčšej miere ako vrodené predispozície.

V porovnaní s mláďatami iných zvierat môžeme povedať, že človek sa rodí s nedostatočne vyvinutým mozgom: jeho hmotnosť u novorodenca je len 30 % hmotnosti mozgu dospelého človeka. Evoluční biológovia naznačujú, že sa musíme narodiť predčasne, aby sa náš mozog vyvíjal interakciou s prostredím. Vedecká novinárka Asja Kazantseva v prednáške „Prečo by sa mal mozog učiť? v rámci programu “Výtvarná výchova 17/18” vystúpila

O procese učenia z pohľadu neurobiológie

a vysvetlil, ako sa mozog mení pod vplyvom skúseností, ako aj to, ako sú počas štúdia užitočné spánok a lenivosť.

Kto študuje fenomén učenia

Otázkou, prečo sa mozog potrebuje učiť, sa zaoberajú minimálne dve dôležité vedy – neurobiológia a experimentálna psychológia. Neurobiológia, ktorá študuje nervový systém a to, čo sa deje v mozgu na úrovni neurónov v čase učenia, najčastejšie nepracuje s ľuďmi, ale s potkanmi, slimákmi a červami. Experimentálni psychológovia sa snažia pochopiť, aké veci ovplyvňujú schopnosť človeka učiť sa: dajú mu napríklad dôležitú úlohu, ktorá otestuje jeho pamäť alebo schopnosť učiť sa a uvidí, ako sa s tým vyrovná. Tieto vedy sa v posledných rokoch intenzívne rozvíjali.

Ak sa pozrieme na učenie z hľadiska experimentálnej psychológie, je užitočné pripomenúť, že táto veda je dedičom behaviorizmu a behavioristi verili, že mozog je čierna skrinka, a v zásade sa nezaujímali o to, čo sa v ňom deje. . Mozog vnímali ako systém, ktorý sa dá ovplyvniť podnetmi, po ktorých sa v ňom deje akési kúzlo a on na tieto podnety určitým spôsobom reaguje. Behavioristov zaujímalo, ako môže táto reakcia vyzerať a čo ju môže ovplyvniť. Verili tomuučenie je zmena správania v dôsledku osvojenia si nových informácií

Táto definícia je stále široko používaná v kognitívnej vede. Povedzme, že ak študent dostal Kanta čítať a on si spomenul, že nad jeho hlavou je „hviezdne nebo a vo mne morálny zákon“, vyslovil to na skúške a dostal „A“, potom došlo k učeniu. .

Na druhej strane, rovnaká definícia platí pre správanie zajaca morského (Aplysia). Neurovedci často robia experimenty s týmto mäkkýšom. Ak šokujete Aplysiu v jej chvoste, začne sa báť okolitej reality a stiahne žiabre v reakcii na slabé podnety, ktorých sa predtým nebála. Zažíva teda aj zmenu v správaní a učení. Túto definíciu možno použiť aj na jednoduchšie biologické systémy. Predstavme si systém dvoch neurónov spojených jedným kontaktom. Ak naň privedieme dva slabé prúdové impulzy, jeho vodivosť sa dočasne zmení a pre jeden neurón bude jednoduchšie vysielať signály druhému. Aj to je učenie na úrovni tohto malého biologického systému. Takže z učenia, ktoré pozorujeme vo vonkajšej realite, môžeme postaviť most k tomu, čo sa deje v mozgu. Obsahuje neuróny, zmeny, ktoré ovplyvňujú našu reakciu na prostredie, t. j. učenie, ku ktorému došlo.

Ako funguje mozog

Ale ak chcete hovoriť o mozgu, musíte mať základné znalosti o tom, ako funguje. Týchto jeden a pol kilogramu nervového tkaniva má predsa v hlave každý z nás. Mozog sa skladá z 86 miliárd nervových buniek alebo neurónov. Typický neurón má bunkové telo s mnohými procesmi. Niektoré z procesov sú dendrity, ktoré zhromažďujú informácie a prenášajú ich do neurónu. A jeden dlhý proces, axón, ho prenáša do ďalších buniek. Prenos informácií v rámci jednej nervovej bunky znamená elektrický impulz, ktorý sa pohybuje pozdĺž procesu, akoby cez drôt. Jeden neurón komunikuje s druhým cez kontaktný bod nazývaný „synapsia“, signál prechádza cez chemikálie. Elektrický impulz vedie k uvoľneniu molekúl neurotransmiterov: serotonínu, dopamínu, endorfínov. Presakujú cez synaptickú štrbinu, ovplyvňujú receptory ďalšieho neurónu a ten mení svoj funkčný stav – na jeho membráne sa napríklad otvárajú kanály, cez ktoré začínajú prechádzať ióny sodíka, chlóru, vápnika, draslíka atď. k tomu sa zasa na nej vytvorí aj potenciálny rozdiel a elektrický signál ide ďalej, do ďalšieho článku.

Ale keď bunka vysiela signál inej bunke, väčšinou to nestačí na nejaké badateľné zmeny v správaní, pretože jeden signál môže nastať aj náhodne kvôli nejakým poruchám v systéme. Na výmenu informácií si bunky navzájom prenášajú mnoho signálov. Hlavným kódovacím parametrom v mozgu je frekvencia impulzov: keď jedna bunka chce niečo preniesť do inej bunky, začne vysielať stovky signálov za sekundu. Mimochodom, rané výskumné mechanizmy zo 60. a 70. rokov generovali zvukový signál. Elektróda bola implantovaná do mozgu experimentálneho zvieraťa a podľa rýchlosti hluku guľometu, ktorý bolo počuť v laboratóriu, bolo možné pochopiť, aký aktívny je neurón.

Systém kódovania pulznej frekvencie pracuje na rôznych úrovniach prenosu informácií – dokonca aj na úrovni jednoduchých vizuálnych signálov. Na sietnici máme čapíky, ktoré reagujú na rôzne vlnové dĺžky: krátke (v školskej učebnici sa nazývajú modré), stredné (zelené) a dlhé (červené). Keď určitá vlnová dĺžka svetla vstúpi do sietnice, rôzne kužele sú excitované v rôznej miere. A ak je vlna dlhá, potom červený kužeľ začne intenzívne vysielať signál do mozgu, aby ste pochopili, že farba je červená. Všetko tu však nie je také jednoduché: spektrum citlivosti kužeľov sa prekrýva a aj ten zelený sa tvári, že niečo také videl. Potom to mozog analyzuje sám.

Ako sa mozog rozhoduje

Princípy podobné tým, ktoré sa používajú v modernom mechanickom výskume a experimentoch na zvieratách s implantovanými elektródami, sa dajú aplikovať na oveľa zložitejšie behaviorálne úkony. Napríklad v mozgu sa nachádza takzvané centrum potešenia – nucleus accumbens. Čím je táto oblasť aktívnejšia, tým viac sa subjektu páči to, čo vidí, a tým vyššia je pravdepodobnosť, že si to bude chcieť kúpiť alebo napríklad zjesť. Experimenty s tomografom ukazujú, že na základe určitej aktivity nucleus accumbens sa dá ešte skôr, ako človek vysloví svoje rozhodnutie povedzme ohľadom kúpy blúzky, povedať, či si ju kúpi alebo nie. Ako hovorí vynikajúci neurovedec Vasily Klyucharyov, robíme všetko pre to, aby sme potešili naše neuróny v nucleus accumbens.

Problém je v tom, že v našom mozgu neexistuje jednota úsudku, každé oddelenie môže mať svoj vlastný názor na to, čo sa deje. Príbeh podobný výtrusom kužeľa v sietnici sa opakuje aj pri zložitejších veciach. Povedzme, že ste videli blúzku, páčila sa vám a vaše nucleus accumbens vysiela signály. Na druhej strane, táto blúzka stojí 9 000 rubľov a plat je ešte týždeň - a potom vaša amygdala alebo amygdala (centrum spojené predovšetkým s negatívnymi emóciami) začne vyžarovať svoje elektrické impulzy: „Počúvajte, existuje nezostalo dosť peňazí. Ak si teraz kúpime túto blúzku, budeme mať problémy.“ Frontálny kortex sa rozhoduje podľa toho, kto kričí hlasnejšie – nucleus accumbens alebo amygdala. A tu je tiež dôležité, aby sme zakaždým následne dokázali analyzovať dôsledky, ku ktorým toto rozhodnutie viedlo. Faktom je, že predná kôra komunikuje s amygdalou, nucleus accumbens a časťami mozgu spojenými s pamäťou: hovoria jej, čo sa stalo po tom, čo sme naposledy urobili takéto rozhodnutie. V závislosti od toho môže predná kôra venovať väčšiu pozornosť tomu, čo jej hovorí amygdala a nucleus accumbens. Mozog sa takto môže meniť pod vplyvom skúseností.

Prečo sa rodíme s malým mozgom?

Všetky ľudské deti sa rodia nedostatočne vyvinuté, doslova predčasné v porovnaní s mláďatami akéhokoľvek iného druhu. Žiadne zviera nemá také dlhé detstvo ako ľudia a nemá žiadneho potomka, ktorý by sa narodil s takým malým mozgom v porovnaní s hmotnosťou dospelého mozgu: u ľudského novorodenca je to len 30%.

Všetci výskumníci sa zhodujú v tom, že sme nútení rodiť ľudí nezrelých kvôli impozantnej veľkosti ich mozgu. Klasickým vysvetlením je pôrodnícka dilema, teda príbeh o konflikte medzi vzpriameným držaním tela a veľkou hlavou. Na to, aby ste porodili dieťa s takouto hlavičkou a veľkým mozgom, potrebujete mať široké boky, ale je nemožné ich rozširovať donekonečna, pretože to bude prekážať pri chôdzi. Podľa antropologičky Holly Dunsworthovej by na to, aby sa rodili zrelšie deti, stačilo zväčšiť šírku pôrodných ciest len o tri centimetre, no aj tak evolúcia expanziu bokov v istom bode zastavila. Evoluční biológovia navrhli, že by sme sa možno mali narodiť predčasne, aby sa náš mozog vyvíjal v interakcii s vonkajším prostredím, keďže lono ako celok je dosť riedke na podnety.

Existuje slávna štúdia Blackmora a Coopera. V 70. rokoch robili pokusy s mačiatkami: väčšinu času ich držali v tme a dávali ich na päť hodín denne do osvetleného valca, kde dostali nezvyčajný obraz sveta. Jedna skupina mačiatok videla niekoľko mesiacov iba vodorovné pruhy, zatiaľ čo iná skupina videla iba zvislé pruhy. V dôsledku toho mali mačiatka veľké problémy s vnímaním reality. Niektorí narazili do nôh stoličiek, pretože nevideli zvislé čiary, iní rovnako ignorovali vodorovné – napríklad nepochopili, že stôl má hranu. Boli testovaní a hrali s palicou. Ak mačiatko vyrastalo medzi vodorovnými čiarami, potom vidí a chytá vodorovnú palicu, ale jednoducho si nevšimne vertikálnu. Potom implantovali elektródy do mozgovej kôry mačiatok a pozreli sa, ako by sa palica mala nakloniť, aby neuróny začali vysielať signály. Je dôležité, aby sa dospelej mačke pri takomto experimente nič nestalo, no svet malého mačiatka, ktorého mozog sa práve učí vnímať informácie, môže byť v dôsledku takéhoto zážitku navždy skreslený. Neuróny, ktoré neboli nikdy postihnuté, prestávajú fungovať.

Sme zvyknutí myslieť si, že čím viac spojení medzi rôznymi neurónmi a časťami ľudského mozgu, tým lepšie. To je pravda, ale s určitými výhradami. Je potrebné nielen to, aby tam bolo veľa spojení, ale aby mali nejaký vzťah k reálnemu životu. Jeden a pol ročné dieťa má oveľa viac synapsií, teda kontaktov medzi neurónmi v mozgu, ako profesor z Harvardu alebo Oxfordu. Problém je v tom, že tieto neuróny sú spojené chaoticky. V ranom veku mozog rýchlo dozrieva a jeho bunky tvoria desaťtisíce synapsií medzi všetkým a všetkými. Každý neurón šíri svoje procesy všetkými smermi a držia sa všetkého, na čo môžu dosiahnuť. Potom však prichádza na rad zásada „použite alebo stratte“. Mozog žije v prostredí a snaží sa vyrovnať s rôznymi úlohami: dieťa sa učí koordinovať pohyby, chytiť hrkálku atď. Keď sa mu ukáže, ako jesť lyžičkou, v jeho mozgovej kôre zostanú spojenia užitočné na jedenie lyžicu, keďže cez ne poháňal nervové impulzy. A spojenia, ktoré sú zodpovedné za hádzanie neporiadku po celej miestnosti, sú menej výrazné, pretože rodičia takéto činy nepodporujú.

Procesy rastu synapsií sú celkom dobre študované na molekulárnej úrovni. Eric Kandel dostal Nobelovu cenu za svoj nápad študovať pamäť na nehumánnych subjektoch. Človek má 86 miliárd neurónov a kým by vedec tieto neuróny pochopil, musel by vyčerpať stovky subjektov. A keďže nikto nedovolí toľkým ľuďom otvoriť si mozog, aby videli, ako sa naučili držať lyžicu, Kandel prišiel s nápadom pracovať so slimákmi. Aplysia je super pohodlný systém: môžete s ním pracovať štúdiom iba štyroch neurónov. V skutočnosti má tento mäkkýš viac neurónov, ale jeho príklad výrazne uľahčuje identifikáciu systémov spojených s učením a pamäťou. Počas experimentov si Kandel uvedomil, že krátkodobá pamäť je dočasné zvýšenie vodivosti existujúcich synapsií a dlhodobá pamäť pozostáva z rastu nových synaptických spojení.

Ukázalo sa, že to platí aj pre ľudí - je to ako keby sme chodili po tráve. Najprv je nám jedno, kam ideme na pole, ale postupne si spravíme cestičku, ktorá sa potom zmení na poľnú cestu a potom na asfaltovú ulicu a trojprúdovú diaľnicu s pouličným osvetlením. Podobným spôsobom si nervové impulzy vytvárajú vlastné dráhy v mozgu.

Ako vznikajú asociácie

Náš mozog je navrhnutý týmto spôsobom: vytvára spojenia medzi udalosťami, ktoré sa vyskytujú súčasne. Typicky sa počas prenosu nervového impulzu uvoľňujú neurotransmitery, ktoré pôsobia na receptor, a elektrický impulz ide do ďalšieho neurónu. Ale je tu jeden receptor, ktorý takto nefunguje, volá sa NMDA. Toto je jeden z kľúčových receptorov pre tvorbu pamäte na molekulárnej úrovni. Jeho zvláštnosťou je, že funguje, ak signál prichádza z oboch strán súčasne.

Všetky neuróny niekam vedú. Jeden môže viesť k veľkej neurónovej sieti, ktorá je prepojená so zvukom trendovej piesne v kaviarni. A ďalšie - do inej siete súvisiacej s tým, že ste išli na rande. Mozog je navrhnutý tak, aby spájal príčinu a následok, na anatomickej úrovni je schopný zapamätať si, že medzi piesňou a dátumom existuje spojenie. Receptor sa aktivuje a umožňuje prechod vápnika. Začína vstupovať do obrovského množstva molekulárnych kaskád, ktoré vedú k fungovaniu niektorých predtým neaktívnych génov. Tieto gény vykonávajú syntézu nových proteínov a rastie ďalšia synapsia. Takto sa posilní spojenie medzi neurónovou sieťou zodpovednou za skladbu a sieťou zodpovednou za dátum. Teraz aj slabý signál stačí na vyslanie nervového impulzu a vytvorenie asociácie.

Ako učenie ovplyvňuje mozog

Existuje známy príbeh o londýnskych taxikároch. Neviem, ako je to teraz, ale doslova pred pár rokmi na to, aby ste sa v Londýne stali skutočným taxikárom, ste museli absolvovať orientačnú skúšku v meste bez navigátora – teda vedieť aspoň dvoch a pol tisíca ulíc, jednosmernú premávku, dopravné značky, zákazy zastavenia a tiež vedieť postaviť optimálnu trasu. Preto, aby sa stal londýnskym taxikárom, ľudia absolvovali niekoľkomesačné kurzy. Výskumníci prijali tri skupiny ľudí. Jednou skupinou sú tí, ktorí sa zapísali do kurzov, aby sa stali taxikármi. Druhou skupinou sú tí, ktorí tiež navštevovali kurzy, ale odišli. A ľudia z tretej skupiny ani nepomysleli na to, že sa stanú taxikármi. Vedci dali všetkým trom skupinám CT skeny, aby sa pozreli na hustotu šedej hmoty v hipokampe. Toto je dôležitá oblasť mozgu spojená s tvorbou pamäte a priestorovým myslením. Zistilo sa, že ak sa človek nechcel stať taxikárom alebo chcel, ale nechcel, tak hustota šedej mozgovej hmoty v jeho hipokampe zostala rovnaká. Ak sa však chcel stať taxikárom, absolvoval školenie a skutočne zvládol novú profesiu, hustota šedej hmoty sa zvýšila o tretinu - to je veľa.

A hoci nie je celkom jasné, kde je príčina a kde následok (buď ľudia skutočne zvládli novú zručnosť, alebo bola táto oblasť mozgu pre nich spočiatku dobre vyvinutá, a preto bolo pre nich ľahké sa naučiť), náš mozog je určite divoko plastická vec a individuálny tréning ho vážne ovplyvňuje - v oveľa väčšej miere ako vrodené predispozície. Dôležité je, že aj vo veku 60 rokov učenie ovplyvňuje mozog. Samozrejme, nie tak efektívne a rýchlo ako v 20, ale vo všeobecnosti si mozog po celý život zachováva určitú schopnosť plasticity.

Prečo by mal byť mozog lenivý a spať?

Keď sa mozog niečo naučí, vytvorí nové spojenia medzi neurónmi. A tento proces je pomalý a nákladný; vyžaduje si minúť veľa kalórií, cukru, kyslíka a energie. Vo všeobecnosti platí, že ľudský mozog, napriek tomu, že jeho hmotnosť je len 2% hmotnosti celého tela, spotrebuje asi 20% všetkej energie, ktorú prijímame. Preto sa vždy, keď je to možné, snaží nič nenaučiť, neplytvať energiou. Je to od neho vlastne veľmi milé, pretože keby sme si zapamätali všetko, čo každý deň vidíme, celkom rýchlo by sme sa zbláznili.

Pri učení sú z pohľadu mozgu dva zásadne dôležité body. Prvým je, keď zvládneme akúkoľvek zručnosť, je pre nás jednoduchšie robiť veci správne ako nesprávne. Učíte sa napríklad riadiť auto s manuálnou prevodovkou a spočiatku vám je jedno, či preradíte z jedničky na dvojku alebo z prvej na štvrtú. Pre vašu ruku a mozog sú všetky tieto pohyby rovnako pravdepodobné; Nezáleží na tom, akým spôsobom vysielať nervové impulzy. A keď ste už skúsenejší vodič, je pre vás fyzicky jednoduchšie správne preraďovať. Ak nastúpite do auta zásadne odlišného dizajnu, budete musieť opäť premýšľať a ovládať s nasadením vôle, aby impulz nešiel po vychodených cestách.

Druhý dôležitý bod:

hlavná vec pri učení je spánok

Má mnoho funkcií: udržiavanie zdravia, imunitu, metabolizmus a rôzne aspekty funkcie mozgu. Ale zhodujú sa na tom všetci neurovedci Najdôležitejšou funkciou spánku je práca s informáciami a učenie. Keď si osvojíme nejakú zručnosť, chceme si vytvoriť dlhodobú pamäť. Nové synapsie rastú niekoľko hodín; je to dlhý proces a pre mozog je najvhodnejšie to urobiť práve vtedy, keď nie ste ničím zaneprázdnení. Počas spánku mozog spracováva informácie prijaté počas dňa a vymaže z nich to, čo by malo byť zabudnuté.

Existuje experiment s potkanmi, kde ich naučili prechádzať bludiskom s elektródami implantovanými do mozgu a zistili, že v spánku si cestu bludiskom opakovali a na druhý deň po ňom kráčali lepšie. Mnohé testy na ľuďoch ukázali, že to, čo sa naučíme pred spaním, si zapamätáme lepšie ako to, čo sa naučíme ráno. Ukazuje sa, že študenti, ktorí sa začnú pripravovať na skúšku niekde bližšie k polnoci, robia všetko správne. Z rovnakého dôvodu je dôležité myslieť na problémy pred spaním. Samozrejme, zaspať bude ťažšie, ale otázku si stiahneme do mozgu a možno ráno príde nejaké riešenie. Mimochodom, sny sú s najväčšou pravdepodobnosťou len vedľajším efektom spracovania informácií.

Ako učenie závisí od emócií

Učenie veľmi závisí od pozornosti, pretože má za cieľ vysielať impulzy znova a znova po špecifických dráhach neurónovej siete. Z obrovského množstva informácií sa na niečo zameriame a prenesieme do pracovnej pamäte. Potom to, na čo sa sústredíme, skončí v dlhodobej pamäti. Možno ste pochopili celú moju prednášku, ale to neznamená, že pre vás bude ľahké ju prerozprávať. A ak si teraz na papier nakreslíte bicykel, neznamená to, že bude dobre jazdiť. Ľudia majú tendenciu zabúdať na dôležité detaily, najmä ak nie sú odborníkmi na bicykle.

Deti mali vždy problémy s pozornosťou. Teraz sa však v tomto zmysle všetko zjednodušuje. V modernej spoločnosti už nie sú také potrebné konkrétne faktografické znalosti – je ich jednoducho neskutočne veľa. Oveľa dôležitejšia je schopnosť rýchlo sa orientovať v informáciách a rozlíšiť spoľahlivé zdroje od nespoľahlivých. Už sa takmer nemusíme dlho sústrediť na to isté a pamätať si veľké množstvo informácií - Dôležitejšie je rýchlo prepínať. Navyše sa v súčasnosti objavuje čoraz viac profesií práve pre ľudí, ktorí sa ťažšie sústredia.

Je tu ešte jeden dôležitý faktor ovplyvňujúci učenie – emócie. V skutočnosti je to vo všeobecnosti hlavná vec, ktorú sme mali počas mnohých miliónov rokov evolúcie, dokonca ešte predtým, ako sme vypestovali celý tento obrovský frontálny kortex. Hodnotu zvládnutia konkrétnej zručnosti hodnotíme z pohľadu toho, či nás robí šťastnými alebo nie. Preto je skvelé, ak sa nám podarí zapojiť do učenia naše základné biologické emocionálne mechanizmy. Napríklad vybudovanie motivačného systému, v ktorom si frontálny kortex nemyslí, že sa musíme niečo naučiť vytrvalosťou a odhodlaním, ale v ktorom nucleus accumbens hovorí, že ho táto činnosť sakra baví.

Anatolij Buchin

Kde študoval: Fakulta fyziky a mechaniky Polytechnickej univerzity, Ecole Normale Supérieure v Paríži. V súčasnosti postdoktorand na University of Washington.

Čo študuje: výpočtová neuroveda

Špeciálne vlastnosti: hrá na saxofón a flautu, robí jogu, veľa cestuje

Môj záujem o vedu sa objavil v detstve: bol som fascinovaný hmyzom, zbieral som ho, študoval som jeho životný štýl a biológiu. Mama si to všimla a priviedla ma do Laboratória ekológie morského Bentosu (LEMB) (bentos je súbor organizmov žijúcich na zemi a v pôde na dne nádrží. - Poznámka vyd.) v Petrohradskom mestskom paláci tvorivosti mládeže. Každé leto sme od 6. do 11. ročníka chodili na expedície do Bieleho mora v prírodnej rezervácii Kandalaksha, aby sme pozorovali bezstavovce a merali ich počty. Zároveň som sa zúčastňoval biologických olympiád pre školákov a výsledky svojej práce na expedíciách som prezentoval ako vedecký výskum. Na strednej škole som sa začal zaujímať o programovanie, ale robiť to výlučne nebolo veľmi zaujímavé. Bol som dobrý vo fyzike a rozhodol som sa nájsť si špecializáciu, ktorá by spájala fyziku a biológiu. Tak som skončil na polytechnike.

Prvýkrát som prišiel do Francúzska po ukončení vysokoškolského štúdia, keď som získal štipendium na magisterský program na Univerzite René Descartesa v Paríži. Intenzívne som študoval v laboratóriách a naučil som sa zaznamenávať neurónovú aktivitu v mozgových rezoch a analyzovať reakcie nervových buniek vo zrakovej kôre mačky počas prezentácie vizuálneho stimulu. Po získaní magisterského titulu som sa vrátil do Petrohradu dokončiť štúdium na Polytechnickej univerzite. V poslednom ročníku magisterského štúdia sme so školiteľom pripravili rusko-francúzsky projekt na písanie dizertačnej práce a financie som získal účasťou na súťaži École Normale Supérieure. Posledné štyri roky som pracoval pod dvojitým vedeckým dohľadom – Boris Gutkin v Paríži a Anton Čižov v Petrohrade. Krátko pred dokončením dizertačnej práce som išiel na konferenciu do Chicaga a dozvedel som sa o postdoktorskej pozícii na Washingtonskej univerzite. Po pohovore som sa rozhodol pracovať tu ďalšie dva alebo tri roky: projekt sa mi páčil a moja nová školiteľka Adrienne Fairhall a ja sme mali podobné vedecké záujmy.

O výpočtovej neurovede

Predmetom štúdia výpočtovej neurobiológie je nervový systém, ako aj jeho najzaujímavejšia časť – mozog. Aby sme vysvetlili, čo s tým má spoločné matematické modelovanie, musíme sa trochu porozprávať o histórii tejto mladej vedy. Koncom 80. rokov publikoval časopis Science článok, v ktorom sa prvýkrát začalo hovoriť o výpočtovej neurobiológii, novej interdisciplinárnej oblasti neurovied, ktorá sa zaoberá popisom informácií a dynamických procesov v nervovom systéme.

V mnohých ohľadoch položili základy tejto vedy biofyzik Alan Hodgkin a neurofyziológ Andrew Huxley (brat Aldousa Huxleyho. - Poznámka vyd.). Študovali mechanizmy tvorby a prenosu nervových impulzov v neurónoch, pričom ako modelový organizmus si vybrali chobotnice. V tom čase mali mikroskopy a elektródy ďaleko od moderných a chobotnice mali také hrubé axóny (procesy, ktorými sa šíria nervové impulzy), že boli viditeľné aj voľným okom. To pomohlo axónom chobotníc stať sa užitočným experimentálnym modelom. Objav Hodgkina a Huxleyho spočíval v tom, že pomocou experimentu a matematického modelu vysvetlili, že generovanie nervového impulzu sa uskutočňuje zmenou koncentrácie sodíkových a draselných iónov prechádzajúcich cez membrány neurónov. Následne sa ukázalo, že tento mechanizmus je univerzálny pre neuróny mnohých zvierat, vrátane ľudí. Znie to nezvyčajne, ale štúdiom chobotníc sa vedcom podarilo zistiť, ako neuróny prenášajú informácie u ľudí. Hodgkin a Huxley dostali za svoj objav v roku 1963 Nobelovu cenu.

Úlohou výpočtovej neurobiológie je systematizovať obrovské množstvo biologických údajov o informáciách a dynamických procesoch prebiehajúcich v nervovom systéme. S vývojom nových metód zaznamenávania nervovej aktivity každým dňom narastá množstvo údajov o funkcii mozgu. Objem knihy „Princípy neurálnej vedy“ od nositeľa Nobelovej ceny Erica Kandela, ktorá obsahuje základné informácie o práci mozgu, sa zvyšuje s každým novým vydaním: kniha začínala na 470 stranách a teraz má viac ako 1 700 stránky. Na systematizáciu takého obrovského súboru faktov sú potrebné teórie.

O epilepsii

Približne 1 % svetovej populácie trpí epilepsiou – to je 50 – 60 miliónov ľudí. Jednou z radikálnych liečebných metód je odstránenie oblasti mozgu, kde záchvat vzniká. Ale také jednoduché to nie je. Približne polovica epilepsie u dospelých sa vyskytuje v spánkovom laloku mozgu, ktorý je spojený s hipokampom. Táto štruktúra je zodpovedná za tvorbu nových spomienok. Ak sa človeku vyrežú dva hipokampy na oboch stranách mozgu, stratí schopnosť zapamätať si nové veci. Bude to ako nepretržitý Hromnice, keďže človek si niečo zapamätá len 10 minút. Podstatou môjho výskumu bolo predpovedať menej radikálne, ale iné možné a účinné spôsoby boja proti epilepsii. Vo svojej diplomovej práci som sa snažil pochopiť, ako začína epileptický záchvat.

Aby ste pochopili, čo sa deje s mozgom počas útoku, predstavte si, že ste prišli na koncert a v určitom momente sála explodovala s potleskom. Vy tlieskate vo svojom vlastnom rytme a ľudia okolo vás tlieskajú v inom rytme. Ak dosť ľudí začne tlieskať rovnakým spôsobom, bude pre vás ťažké udržať si rytmus a pravdepodobne skončíte tlieskaním spolu so všetkými ostatnými. Epilepsia funguje podobným spôsobom, keď sa neuróny v mozgu začnú vysoko synchronizovať, to znamená, že súčasne generujú impulzy. Tento proces synchronizácie môže zahŕňať celé oblasti mozgu, vrátane tých, ktoré kontrolujú pohyb, čo spôsobuje záchvat. Hoci väčšina záchvatov je charakterizovaná absenciou záchvatov, pretože epilepsia sa nie vždy vyskytuje v motorických oblastiach.

Povedzme, že dva neuróny sú spojené excitačnými spojeniami v oboch smeroch. Jeden neurón vyšle impulz druhému, ktorý ho vzruší a ten odošle impulz späť. Ak sú excitačné spojenia príliš silné, povedie to k zvýšeniu aktivity v dôsledku výmeny impulzov. Normálne sa to nestane, pretože existujú inhibičné neuróny, ktoré znižujú aktivitu príliš aktívnych buniek. Ale ak inhibícia prestane správne fungovať, môže to viesť k epilepsii. Často je to spôsobené nadmernou akumuláciou chlóru v neurónoch. Vo svojej práci som vyvinul matematický model siete neurónov, ktoré môžu prejsť do epileptického režimu kvôli patológii inhibície spojenej s akumuláciou chlóru vo vnútri neurónov. V tom mi pomohli záznamy aktivity neurónov v ľudskom tkanive získané po operáciách u epileptických pacientov. Skonštruovaný model nám umožňuje testovať hypotézy týkajúce sa mechanizmov epilepsie, aby sme objasnili podrobnosti tejto patológie. Ukázalo sa, že obnovenie rovnováhy chlóru v pyramídových neurónoch môže pomôcť zastaviť epileptický záchvat obnovením rovnováhy excitácie – inhibície v sieti neurónov. Môj druhý supervízor Anton Čižov z Fyzikálno-technického inštitútu v Petrohrade nedávno získal grant od Ruskej vedeckej nadácie na štúdium epilepsie, takže táto línia výskumu bude v Rusku pokračovať.

Dnes existuje veľa zaujímavej práce v oblasti výpočtovej neurovedy. Napríklad vo Švajčiarsku existuje projekt Blue Brain Project, ktorého cieľom je čo najpodrobnejšie popísať malú časť mozgu – somatosenzorickú kôru potkana, ktorá je zodpovedná za vykonávanie pohybov. Dokonca aj v malom mozgu potkana sú miliardy neurónov a všetky sú navzájom prepojené určitým spôsobom. Napríklad v kortexe vytvára jeden pyramídový neurón spojenie s približne 10 000 ďalšími neurónmi. Projekt Blue Brain zaznamenal aktivitu asi 14 000 nervových buniek, charakterizoval ich tvar a zrekonštruoval asi 8 000 000 spojení medzi nimi. Potom pomocou špeciálnych algoritmov spojili neuróny dohromady biologicky hodnoverným spôsobom, aby sa v takejto sieti mohla objaviť aktivita. Model potvrdil teoreticky nájdené princípy kortikálnej organizácie – napríklad rovnováhu medzi excitáciou a inhibíciou. A teraz v Európe existuje veľký projekt s názvom Human Brain Project. Musí popisovať celý ľudský mozog s prihliadnutím na všetky údaje, ktoré sú dnes dostupné. Tento medzinárodný projekt je akýmsi veľkým hadrónovým urýchľovačom z neurovedy, keďže sa na ňom podieľa asi sto laboratórií z viac ako 20 krajín.

Kritici projektov Blue Brain Project a Human Brain Project sa pýtali, aké dôležité je množstvo detailov pri opise fungovania mozgu. Pre porovnanie, aký dôležitý je popis Nevského prospektu v Petrohrade na mape, kde sú viditeľné iba kontinenty? Snaha dať dokopy obrovské množstvo dát je však určite dôležitá. V najhoršom prípade, aj keď úplne nerozumieme fungovaniu mozgu, po zostavení takéhoto modelu ho môžeme použiť v medicíne. Napríklad študovať mechanizmy rôznych chorôb a modelovať pôsobenie nových liekov.

V USA sa môj projekt venuje štúdiu nervového systému Hydry. Napriek tomu, že aj v školských učebniciach biológie je jednou z prvých študovaných, jej nervová sústava je stále slabo pochopená. Hydra je príbuzná medúzy, takže je rovnako priehľadná a má relatívne malý počet neurónov – od 2 do 5 tisíc. Preto je možné súčasne zaznamenávať aktivitu prakticky zo všetkých buniek nervového systému. Na tento účel sa používa nástroj ako „zobrazovanie vápnika“. Faktom je, že zakaždým, keď sa neurón vybije, jeho koncentrácia vápnika vo vnútri bunky sa zmení. Ak pridáme špeciálnu farbu, ktorá začne žiariť, keď sa koncentrácia vápnika zvýši, potom pri každom vygenerovaní nervového impulzu uvidíme charakteristickú žiaru, pomocou ktorej môžeme určiť aktivitu neurónu. To umožňuje zaznamenávať aktivitu u živého zvieraťa počas správania. Analýza takejto aktivity nám umožní pochopiť, ako nervový systém hydry riadi jej pohyb. Analógie získané z takéhoto výskumu sa dajú použiť na opis pohybu zložitejších zvierat, ako sú cicavce. A z dlhodobého hľadiska - v neuroinžinierstve vytvárať nové systémy na kontrolu nervovej činnosti.

O význame neurovedy pre spoločnosť

Prečo je neuroveda taká dôležitá pre modernú spoločnosť? Po prvé, je to príležitosť vyvinúť nové spôsoby liečby neurologických ochorení. Ako môžete nájsť liek, keď nerozumiete, ako to funguje na úrovni celého mozgu? Môj supervízor v Paríži Boris Gutkin, ktorý pôsobí aj na Vysokej škole ekonomickej v Moskve, študuje závislosť od kokaínu a alkoholu. Jeho práca je venovaná popisu tých zmien v posilňovacom systéme, ktoré vedú k závislosti. Po druhé, sú to nové technológie – najmä neuroprotetika. Napríklad človek, ktorý zostal bez ruky, vďaka implantátu implantovanému do mozgu bude môcť ovládať umelé končatiny. Alexey Osadchiy z HSE sa tejto oblasti aktívne venuje v Rusku. Po tretie, z dlhodobého hľadiska ide o vstup do IT, konkrétne technológie strojového učenia. Po štvrté, toto je oblasť vzdelávania. Prečo si napríklad myslíme, že 45 minút je najefektívnejšia dĺžka vyučovacej hodiny v škole? Možno by stálo za to lepšie preskúmať túto otázku pomocou poznatkov z kognitívnej neurovedy. Takto môžeme lepšie pochopiť, ako môžeme efektívnejšie vyučovať na školách a univerzitách a ako si efektívnejšie naplánovať pracovný deň.

O vytváraní sietí vo vede

Vo vede je veľmi dôležitá otázka komunikácie medzi vedcami. Vytváranie sietí si vyžaduje účasť na vedeckých školách a konferenciách, aby bolo možné držať krok so súčasným stavom vecí. Vedecká škola je taká veľká párty: na mesiac sa ocitnete medzi ostatnými doktorandmi a postdoktorandmi. Počas štúdia za vami chodia známi vedci a rozprávajú sa o svojej práci. Zároveň pracujete na individuálnom projekte a dohliada na vás niekto skúsenejší. Rovnako dôležité je udržiavať dobré vzťahy so svojím manažérom. Ak študent magisterského štúdia nemá dobré odporúčacie listy, je nepravdepodobné, že by bol prijatý na stáž. Stáž rozhoduje o tom, či bude prijatý na písanie dizertačnej práce. Z výsledkov dizertačnej práce - ďalší vedecký život. V každej z týchto fáz vždy žiadajú spätnú väzbu od manažéra, a ak niekto nepracoval veľmi dobre, veľmi rýchlo sa to stane známym, takže je dôležité vážiť si svoju reputáciu.

Z hľadiska dlhodobých plánov plánujem urobiť niekoľko postdokov, kým si nájdem stále miesto na univerzite alebo vo výskumnom laboratóriu. Vyžaduje si to dostatočný počet publikácií, ktoré sa v súčasnosti pripravujú. Ak všetko pôjde dobre, rozmýšľam, že sa o pár rokov vrátim do Ruska, aby som tu zorganizoval vlastné laboratórium alebo vedeckú skupinu.

Anatolij Buchin

Kde študoval: Fakulta fyziky a mechaniky Polytechnickej univerzity, Ecole Normale Supérieure v Paríži. V súčasnosti postdoktorand na University of Washington.

Čo študuje: výpočtová neuroveda

Špeciálne vlastnosti: hrá na saxofón a flautu, robí jogu, veľa cestuje

O výpočtovej neurovede

O epilepsii

O význame neurovedy pre spoločnosť

O vytváraní sietí vo vede

Neurobiológia študuje nervový systém ľudí a zvierat, pričom zvažuje otázky štruktúry, fungovania, vývoja, fyziológie, patológie nervového systému a mozgu. Neurobiológia je veľmi široký vedný odbor, ktorý pokrýva mnoho oblastí, napríklad neurofyziológiu, neurochémiu, neurogenetiku. Neurobiológia úzko súvisí s kognitívnymi vedami, psychológiou a má čoraz väčší vplyv na štúdium sociálno-psychologických javov.

Štúdium nervového systému vo všeobecnosti a mozgu zvlášť môže prebiehať na molekulárnej alebo bunkovej úrovni, keď sa študuje štruktúra a fungovanie jednotlivých neurónov, na úrovni jednotlivých zhlukov neurónov, ako aj na úrovni jednotlivé systémy (mozgová kôra, hypotalamus atď.) a celý nervový systém ako celok vrátane mozgu, miechy a celej siete neurónov v ľudskom tele.

Neurovedci dokážu vyriešiť úplne iné problémy a odpovedať niekedy na tie najneočakávanejšie otázky. Ako obnoviť funkciu mozgu po mozgovej príhode a ktoré bunky v ľudskom mozgovom tkanive ovplyvnili jej vývoj – všetky tieto otázky sú v kompetencii neurovedcov. A tiež: prečo káva povzbudzuje, prečo vidíme sny a či sa dajú ovládať, ako gény určujú náš charakter a duševnú štruktúru, ako fungovanie nervovej sústavy človeka ovplyvňuje vnímanie chutí a vôní a mnohé, mnohé iné.

Jednou zo sľubných oblastí výskumu v neurobiológii je dnes skúmanie prepojenia vedomia a konania, teda toho, ako myšlienka na vykonanie činnosti vedie k jej dokončeniu. Tento vývoj je základom pre vytváranie zásadne nových technológií, o ktorých v súčasnosti nemáme ani poňatia, alebo tých, ktoré sa začínajú rýchlo rozvíjať. Príkladom toho je vytvorenie citlivých protéz končatín, ktoré dokážu úplne obnoviť funkčnosť stratenej končatiny.

Podľa odborníkov sa vývoj neurovedcov dá okrem riešenia „vážnych“ problémov čoskoro využiť aj na zábavné účely, napríklad v priemysle počítačových hier, aby boli pre hráča ešte realistickejšie, pri vytváraní špeciálnych športových exoskeletonov. , ako aj vo vojenskom priemysle.

Témy na štúdium v neurobiológii sa napriek mnohým výskumom v tejto oblasti a zvýšenému záujmu vedeckej komunity nezmenšujú. Preto bude musieť niekoľko ďalších generácií vedcov vyriešiť záhady, ktoré sa skrývajú v ľudskom mozgu a nervovom systéme.

Neurovedec je vedec, ktorý pracuje v jednej z oblastí neurovedy. Môže sa venovať základnej vede, to znamená vykonávať výskum, pozorovania a experimenty, formovať nové teoretické prístupy, nachádzať nové všeobecné vzorce, ktoré môžu vysvetliť pôvod konkrétnych prípadov. V tomto prípade sa vedec zaujíma o všeobecné otázky o štruktúre mozgu, vlastnostiach interakcie neurónov, študuje príčiny neurologických ochorení atď.

Na druhej strane sa vedec môže venovať praxi, rozhodovať sa, ako aplikovať známe základné poznatky pri riešení konkrétnych problémov, napríklad pri liečbe chorôb spojených s poruchami nervového systému.

Každý deň sa špecialisti stretávajú s nasledujúcimi problémami:

1. ako mozog a neurónové siete fungujú na rôznych úrovniach interakcie, od bunkovej až po systémovú úroveň;

2. ako možno spoľahlivo merať reakcie mozgu;

3. aké súvislosti, funkčné, anatomické a genetické, možno vysledovať v práci neurónov na rôznych úrovniach interakcie;

4. ktoré ukazovatele funkcie mozgu možno v medicíne považovať za diagnostické alebo prognostické;

5. aké lieky by sa mali vyvinúť na liečbu a ochranu patologických stavov a neurodegeneratívnych ochorení nervového systému.

Ako sa stať špecialistom?

Doplnkové vzdelanie

Zistite viac o možných programoch prípravy na povolanie ešte v školskom veku.

Základné odborné vzdelanie

Percentá vyjadrujú rozloženie odborníkov s určitým stupňom vzdelania na trhu práce. Kľúčové špecializácie na zvládnutie povolania sú označené zelenou farbou.

Schopnosti a zručnosti

Práca s informáciami. Schopnosť vyhľadávať, spracovávať a analyzovať prijaté informácie
Integrovaný prístup k riešeniu problémov. Schopnosť vidieť problém komplexne, v súvislostiach a na základe toho vybrať potrebný súbor opatrení na jeho riešenie
Programovanie. Zručnosti v písaní kódu a jeho ladení
Pozorovania. Schopnosť vykonávať vedecké pozorovania, zaznamenávať získané výsledky a analyzovať ich
Vedecké zručnosti. Schopnosť aplikovať poznatky z oblasti prírodných vied pri riešení odborných problémov
Výskumné zručnosti. Schopnosť vykonávať výskum, zakladať experimenty, zbierať údaje
Matematické zručnosti. Schopnosť aplikovať matematické vety a vzorce pri riešení odborných úloh
Hodnotenie systému. Schopnosť vybudovať systém na hodnotenie akéhokoľvek javu alebo objektu, vybrať indikátory hodnotenia a na základe nich vykonať hodnotenie

Záujmy a preferencie

Analytické myslenie. Schopnosť analyzovať a predpovedať situáciu, vyvodzovať závery na základe dostupných údajov a vytvárať vzťahy medzi príčinami a následkami
Kritické myslenie. Schopnosť kriticky myslieť: zvážiť klady a zápory, silné a slabé stránky každého prístupu k riešeniu problému a každého možného výsledku
Matematické schopnosti. Schopnosť v matematike a exaktných vedách, pochopenie logiky matematických ustanovení a teorémov
Schopnosť učiť sa. Schopnosť rýchlo asimilovať nové informácie a aplikovať ich v ďalšej práci
Asimilácia informácií. Schopnosť rýchlo vnímať a asimilovať nové informácie
Flexibilita myslenia. Schopnosť pracovať s niekoľkými pravidlami súčasne, kombinovať ich a odvodiť najrelevantnejší model správania
Otvorenosť novým veciam. Schopnosť držať krok s novými technickými informáciami a pracovnými znalosťami
Vizualizácia. Vytváranie vo fantázii detailných obrázkov tých predmetov, ktoré je potrebné získať ako výsledok práce
Usporiadanie informácií. Schopnosť usporiadať údaje, informácie a veci alebo akcie v určitom poradí podľa určitého pravidla alebo súboru pravidiel
Pozornosť na detaily. Schopnosť sústrediť sa na detaily pri plnení úloh
Pamäť. Schopnosť rýchlo si zapamätať značné množstvo informácií

Profesia v osobách

Oľga Martynová

Alexander Surin

Hmotnosť mozgu je 3-5% z celkovej hmotnosti človeka. A to je najväčší pomer hmotnosti mozgu a tela v živočíšnej ríši.

Do profesie môžete vstúpiť s technickým a matematickým vzdelaním, pretože stále viac sú žiadaní špecialisti, ktorí poznajú komplexné metódy štatistickej analýzy veľkých objemov dát a vedia pracovať s veľkými dátami.

Neurovedci môžu nájsť prácu na oddeleniach neurológie, neuropsychiatrie atď. Moskovské mestské kliniky a kliniky. Vo vedeckých organizáciách budú odborníci v oblasti neurobiológie zvyšovať úroveň vedeckého výskumu fungovania nervového systému v zdraví a chorobe; v zdravotníckych zariadeniach skvalitnia diagnostiku chorôb a skrátia čas na stanovenie diagnózy; prispeje k rozvoju progresívnych liečebných stratégií.

Mozog a nervový systém ako celok sú možno najkomplexnejším systémom v tele. 70% ľudského genómu zabezpečuje tvorbu a fungovanie mozgu. V ľudskom mozgu sa nachádza viac ako 100 miliárd bunkových jadier, čo je viac ako počet hviezd vo viditeľnej oblasti vesmíru.

Dnes sa vedci a lekári naučili transplantovať a nahradiť takmer akékoľvek tkanivo a akýkoľvek orgán v ľudskom tele. Každý deň sa vykonáva mnoho operácií transplantácie obličiek, pečene a dokonca aj srdca. Transplantácia hlavy však bola úspešná iba raz, keď sovietsky chirurg V. Demikhov transplantoval druhú hlavu zdravému psovi. Je známe, že veľa podobných pokusov robil na psoch a v jednom prípade takýto dvojhlavý tvor žil takmer mesiac. Dnes sa podobné pokusy robia aj na zvieratách, hľadajú sa metódy na fúziu mozgu a miechy pri transplantácii, čo je najdôležitejší problém pri tomto type operácií, no vedci zatiaľ ani zďaleka nerobia takéto operácie na ľudí. Transplantácia hlavy či mozgu by mohla pomôcť ochrnutým ľuďom, tým, ktorí neovládajú svoje telo, ale otvorená zostáva aj otázka etiky transplantácií hlavy.