Ученые нейробиологи. Нейробиология творчества, или как научить мозг генерировать идеи. История развития нейробиологии
Экология сознания: Жизнь. Совершенно точно доказано, что наш мозг - дико пластичная штука, и индивидуальное обучение серьезно на него влияет - в значительно большей степени, чем врожденные предрасположенности.
Если сравнивать с детенышами других животных, можно сказать, что человек рождается с недоразвитым мозгом: его масса у новорожденного составляет всего 30% массы мозга взрослого. Эволюционные биологи предполагают, что мы должны рождаться недоношенными, чтобы наш мозг развивался, взаимодействуя с внешней средой. Научный журналист Ася Казанцева в лекции «Зачем мозгу учиться?» в рамках программы «Арт-образование 17/18» рассказала
О процессе обучения с точки зрения нейробиологии
и объяснила, как мозг меняется под влиянием опыта, а также чем во время учебы полезны сон и лень.
Кто изучает феномен обучения
Вопросом, зачем мозгу учиться, занимаются как минимум две важные науки - нейробиология и экспериментальная психология. Нейробиология, изучающая нервную систему и происходящее в мозге на уровне нейронов в момент обучения, работает чаще всего не с людьми, а с крысами, улиточками и червячками. Специалисты по экспериментальной психологии пытаются понять, какие вещи влияют на обучаемость человека: например, дают ему важное задание, проверяющее его память или обучаемость, и смотрят, как он с ним справляется. Эти науки интенсивно развивались в последние годы.
Если смотреть на обучение с точки зрения экспериментальной психологии, то полезно вспомнить, что эта наука - наследница бихевиоризма, а бихевиористы считали, что мозг - черный ящик, и их принципиально не интересовало, что в нем происходит. Они воспринимали мозг как систему, на которую можно воздействовать стимулами, после чего в ней случается какая-то магия, и она определенным образом на эти стимулы реагирует. Бихевиористов интересовало, как может выглядеть эта реакция и что на нее способно влиять. Они считали, что обучение - это изменение поведения в результате освоения новой информации
Это определение до сих пор широко применяется в когнитивных науках. Скажем, если студенту дали почитать Канта и он запомнил, что есть «звездное небо над головой и моральный закон во мне», озвучил это на экзамене и ему поставили пятерку, значит, произошло обучение.
С другой стороны, такое же определение применимо и к поведению морского зайца (аплизии). Нейробиологи часто ставят опыты с этим моллюском. Если бить аплизию током в хвостик, она начинает бояться окружающей реальности и втягивать жабры в ответ на слабые стимулы, которых она раньше не боялась. Таким образом, у нее тоже происходит изменение поведения, обучение. Это определение можно применять и к еще более простым биологическим системам. Представим себе систему из двух нейронов, соединенных одним контактом. Если мы подадим на нее два слабых импульса тока, то в ней временно изменится проводимость и одному нейрону станет легче подавать сигналы другому. Это тоже обучение на уровне этой маленькой биологической системы. Таким образом, от обучения, которое мы наблюдаем во внешней реальности, можно построить мостик к тому, что происходит в мозге. В нем есть нейроны, изменения в которых влияют на нашу реакцию на среду, т. е. на произошедшее обучение.
Как работает мозг
Но чтобы говорить о мозге, нужно иметь базовое представление о его работе. В конце концов, у каждого из нас в голове есть эти полтора килограмма нервной ткани. Мозг состоит из 86 миллиардов нервных клеток, или нейронов. У типичного нейрона есть тело клетки со множеством отростков. Часть отростков - дендриты, которые собирают информацию и передают ее на нейрон. А один длинный отросток, аксон, передает ее следующим клеткам. Под передачей информации в рамках одной нервной клетки подразумевается электрический импульс, который идет по отростку, как по проводу. Один нейрон взаимодействует с другим через место контакта, которое называется «синапс», сигнал идет с помощью химических веществ. Электрический импульс приводит к высвобождению молекул - нейромедиаторов: серотонина, дофамина, эндорфинов. Они просачиваются через синаптическую щель, воздействуют на рецепторы следующего нейрона, и он изменяет свое функциональное состояние - например, у него на мембране открываются каналы, через которые начинают проходить ионы натрия, хлора, кальция, калия и т. д. Это приводит к тому, что на нем, в свою очередь, тоже формируется разность потенциалов, и электрический сигнал идет дальше, на следующую клетку.
Но когда клетка передает сигнал другой клетке, этого чаще всего недостаточно для каких-то заметных изменений в поведении, ведь один сигнал может получиться и случайно из-за каких-то возмущений в системе. Для обмена информацией клетки передают друг другу много сигналов. Главный кодирующий параметр в мозге - это частота импульсов: когда одна клетка хочет что-то передать другой клетке, она начинает посылать сотни сигналов в секунду. Кстати, ранние исследовательские механизмы 1960–70-х годов формировали звуковой сигнал. В мозг экспериментальному животному вживляли электрод, и по скорости треска пулемета, который слышался в лаборатории, можно было понять, насколько активен нейрон.
Система кодирования с помощью частоты импульсов работает на разных уровнях передачи информации - даже на уровне простых зрительных сигналов. У нас на сетчатке есть колбочки, которые реагируют на разные длины волн: короткие (в школьном учебнике они называются синие), средние (зеленые) и длинные (красные). Когда на сетчатку поступает волна света определенной длины, разные колбочки возбуждаются в разной степени. И если волна длинная, то красная колбочка начинает интенсивно подавать сигнал в мозг, чтобы вы поняли, что цвет красный. Впрочем, тут все не так просто: у колбочек перекрывается спектр чувствительности, и зеленая тоже делает вид, что она что-то такое увидела. Дальше мозг самостоятельно это анализирует.
Как мозг принимает решения
Принципы, аналогичные тем, что используются в современных механических исследованиях и опытах на животных с вживленными электродами, можно применять и к гораздо более сложным поведенческим актам. Например, в мозге есть так называемый центр удовольствия - прилежащее ядро. Чем более активна эта область, тем сильнее испытуемому нравится то, что он видит, и выше вероятность, что он захочет это купить или, например, съесть. Эксперименты с томографом показывают, что по определенной активности прилежащего ядра можно еще до того, как человек озвучит свое решение, допустим, относительно покупки кофточки, сказать, будет он ее покупать или нет. Как говорит прекрасный нейробиолог Василий Ключарев, мы делаем все, чтобы понравиться нашим нейронам в прилежащем ядре.
Сложность в том, что у нас в мозге нет единства суждений, каждый отдел может иметь свое мнение о происходящем. История, похожая на спор колбочек в сетчатке, повторяется и с более сложными вещами. Допустим, вы увидели кофточку, она вам понравилась, и ваше прилежащее ядро издает сигналы. С другой стороны, эта кофточка стоит 9 тысяч рублей, а зарплата еще через неделю - и тогда ваша амигдала, или миндалевидное тело (центр, связанный в первую очередь с негативными эмоциями), начинает издавать свои электрические импульсы: «Слушай, остается мало денег. Если мы сейчас купим эту кофточку, у нас будут проблемы». Лобная кора принимает решение в зависимости от того, кто громче орет - прилежащее ядро или амигдала. И тут еще важно, что каждый раз впоследствии мы способны проанализировать последствия, к которым это решение привело. Дело в том, что лобная кора общается и с амигдалой, и с прилежащим ядром, и с отделами мозга, связанными с памятью: они ей рассказывают, что произошло после того, как в прошлый раз мы принимали такое решение. В зависимости от этого лобная кора может более внимательно отнестись к тому, что говорят ей амигдала и прилежащее ядро. Так мозг способен меняться под влиянием опыта.
Почему мы рождаемся с маленьким мозгом
Все человеческие дети рождаются недоразвитыми, буквально недоношенными в сравнении с детенышами любого другого вида. Ни у одного животного нет настолько длинного детства, как у человека, и у них не бывает потомства, которое рождалось бы с настолько маленьким мозгом относительно массы мозга взрослого: у человеческого новорожденного она составляет лишь 30%.
Все исследователи сходятся во мнении, что мы вынуждены рождать человека незрелым из-за внушительного размера его мозга. Классическое объяснение - это акушерская дилемма, то есть история конфликта между прямохождением и большой головой. Чтобы родить детеныша с такой головой и крупным мозгом, нужно иметь широкие бедра, но невозможно их бесконечно расширять, потому что это будет мешать ходить. По подсчетам антрополога Холли Дансуорт, чтобы рожать более зрелых детей, достаточно было бы увеличить ширину родового канала всего на три сантиметра, но эволюция все равно в какой-то момент остановила расширение бедер. Эволюционные биологи предположили: вероятно, мы и должны рождаться недоношенными, чтобы наш мозг развивался во взаимодействии с внешней средой, ведь в матке в целом довольно мало стимулов.
Есть знаменитое исследование Блэкмора и Купера. Они в 70-е годы проводили опыты с котятами: большую часть времени держали их в темноте и на пять часов в день сажали в освещенный цилиндр, где они получали не совсем обычную картину мира. Одна группа котят в течение нескольких месяцев видела только горизонтальные полосы, а другая - только вертикальные. В итоге у котят возникли большие проблемы с восприятием реальности. Одни врезались в ножки стульев, потому что не видели вертикальных линий, другие таким же образом игнорировали горизонтальные - например, не понимали, что у стола есть край. С ними проводили тесты, играли с помощью палочки. Если котенок рос среди горизонтальных линий, то горизонтальную палочку он видит и ловит, а вертикальную просто не замечает. Затем вживляли электроды в кору головного мозга котят и смотрели, каким должен быть наклон палочки, чтобы нейроны начали издавать сигналы. Важно, что со взрослым котом во время такого эксперимента ничего бы не случилось, а вот мир маленького котенка, чей мозг только учится воспринимать информацию, вследствие подобного опыта может быть навсегда искажен. Нейроны, которые никогда не подвергались воздействию, перестают функционировать.
Мы привыкли считать, что чем больше связей между разными нейронами, отделами человеческого мозга, тем лучше. Это так, но с определенными оговорками. Нужно не просто чтобы связей было много, а чтобы они имели какое-то отношение к реальной жизни. У полуторагодовалого ребенка синапсов, то есть контактов между нейронами в мозге, гораздо больше, чем у профессора Гарварда или Оксфорда. Проблема в том, что эти нейроны связаны хаотично. В раннем возрасте мозг быстро созревает, и его клетки формируют десятки тысяч синапсов между всем и всем. Каждый нейрон раскидывает отростки во все стороны, и они цепляются за все, до чего смогли дотянуться. Но дальше начинает работать принцип «Используй, или потеряешь». Мозг живет в окружающей среде и пытается справляться с разными задачами: ребенка учат координировать движения, хватать погремушку и т. д. Когда ему показывают, как есть ложкой, у него в коре остаются связи, полезные, чтобы есть ложкой, так как именно через них он гонял нервные импульсы. А связи, которые отвечают за то, чтобы расшвыривать кашу по всей комнате, становятся менее выраженными, потому что родители такие действия не поощряют.
Процессы роста синапсов довольно хорошо изучены на молекулярном уровне. Эрику Канделу дали Нобелевскую премию за то, что он догадался изучать память не на людях. У человека 86 миллиардов нейронов, и, пока ученый разобрался бы в этих нейронах, ему пришлось бы извести сотни испытуемых. А поскольку никто не позволяет вскрывать мозги стольким людям ради того, чтобы посмотреть, как они научились держать ложку, Кандел придумал работать с улиточками. Аплизия - суперудобная система: с ней можно работать, изучив всего четыре нейрона. На самом деле у этого моллюска больше нейронов, но на его примере гораздо проще выявить системы, связанные с обучением и памятью. В ходе экспериментов Кандел понял, что кратковременная память - это временное усиление проводимости уже существующих синапсов, а долговременная заключается в росте новых синаптических связей.
Это оказалось применимо и к человеку - похоже на то, как мы ходим по траве . Сначала нам все равно, куда идти на поле, но постепенно мы протаптываем тропинку, которая потом превращается в грунтовую дорогу, а затем в асфальтированную улицу и трехполосное шоссе с фонарями. Похожим образом нервные импульсы протаптывают себе дорожки в мозге.
Как формируются ассоциации
Наш мозг так устроен: он формирует связи между событиями, происходящими одновременно. Обычно при передаче нервного импульса выделяются нейромедиаторы, которые воздействуют на рецептор, и электрический импульс идет на следующий нейрон. Но есть один рецептор, который работает не так, он называется NMDA. Это один из ключевых рецепторов для формирования памяти на молекулярном уровне. Его особенность в том, что он работает в том случае, если сигнал пришел с обеих сторон одновременно.
Все нейроны куда-то ведут. Один может привести в большую нейронную сеть, которая связана со звучанием модной песенки в кафе. А другие - в другую сеть, связанную с тем, что вы пошли на свидание. Мозг заточен на то, чтобы связывать причину и следствие, он на анатомическом уровне способен запомнить, что между песней и свиданием есть связь. Рецептор активируется и пропускает через себя кальций. Он начинает вступать в огромное количество молекулярных каскадов, которые приводят к работе некоторых до этого не работавших генов. Эти гены проводят синтез новых белков, и вырастает еще один синапс. Так связь между нейронной сетью, отвечающей за песенку, и сетью, отвечающей за свидание, становится более прочной. Теперь даже слабого сигнала достаточно, чтобы пошел нервный импульс и у вас сформировалась ассоциация.
Как обучение влияет на мозг
Есть знаменитая история о лондонских таксистах. Не знаю, как сейчас, но буквально несколько лет назад для того, чтобы стать настоящим таксистом в Лондоне, нужно было сдать экзамен по ориентации в городе без навигатора - то есть знать как минимум две с половиной тысячи улиц, одностороннее движение, дорожные знаки, запреты на остановку, а также уметь выстроить оптимальный маршрут. Поэтому, чтобы стать лондонским таксистом, люди несколько месяцев ходили на курсы. Исследователи набрали три группы людей. Одна группа - поступившие на курсы, чтобы стать таксистами. Вторая группа - те, кто тоже ходил на курсы, но бросил обучение. А люди из третьей группы вообще не думали становиться таксистами. Всем трем группам ученые сделали томограмму, чтобы посмотреть плотность серого вещества в гиппокампе. Это важная зона мозга, связанная с формированием памяти и пространственным мышлением. Обнаружилось, что если человек не хотел становиться таксистом или хотел, но не стал, то плотность серого вещества в его гиппокампе оставалась прежней. А вот если он хотел стать таксистом, прошел тренинг и действительно овладел новой профессией, то плотность серого вещества увеличилась на треть - это очень много.
И хотя до конца не ясно, где причина, а где следствие (то ли люди действительно овладели новым навыком, то ли у них изначально была хорошо развита эта область мозга и поэтому им было легко научиться), совершенно точно наш мозг - дико пластичная штука, и индивидуальное обучение серьезно на него влияет - в значительно большей степени, чем врожденные предрасположенности. Важно, что и в 60 лет обучение оказывает воздействие на мозг. Конечно, не так эффективно и быстро, как в 20, но целом мозг в течение всей жизни сохраняет некоторую способность к пластичности.
Зачем мозгу лениться и спать
Когда мозг чему-то учится, он выращивает новые связи между нейронами. А это процесс медленный и дорогостоящий, на него нужно тратить много калорий, сахара, кислорода, энергии. Вообще, человеческий мозг, притом что его вес составляет всего 2% от веса всего тела, потребляет около 20% всей энергии, которую мы получаем. Поэтому при любой возможности он старается ничему не учиться, не тратить энергию. На самом деле это очень мило с его стороны, ведь если бы мы запоминали все, что видим каждый день, то мы довольно быстро сошли бы с ума.
В обучении, с точки зрения мозга, есть два принципиально важных момента. Первый заключается в том, что, когда мы осваиваем любой навык, нам становится легче действовать правильно, чем неправильно. Например, вы учитесь водить машину с механической коробкой передач, и вам сначала все равно, переключать передачу с первой на вторую или с первой на четвертую. Для вашей руки и мозга все эти движения равновероятны; вам неважно, в какую сторону гнать нервные импульсы. А когда вы уже более опытный водитель, то вам физически проще переключать передачи правильно. Если вы попадете в машину с принципиально другой конструкцией, вам снова придется задумываться и контролировать усилием воли, чтобы импульс не пошел по проторенной дорожке.
Второй важный момент:
главное в обучении - это сон
У него много функций: поддержание здоровья, иммунитета, обмена веществ и разных сторон работы мозга. Но все нейробиологи сходятся в том, что самая главная функция сна - это работа с информацией и обучением. Когда мы освоили какой-то навык, то хотим сформировать долговременную память. Новые синапсы растут несколько часов, это долгий процесс, и мозгу удобнее всего это делать именно тогда, когда вы ничем не заняты. Во время сна мозг обрабатывает информацию, полученную за день, и стирает то, что из этого надо забыть.
Есть эксперимент с крысами, где их учили ходить по лабиринту с вживленными в мозг электродами и обнаружили, что во сне они повторяли свой путь по лабиринту, а на следующий день ходили по нему лучше. Во многих тестах на людях показано, что то, что мы выучили перед сном, вспомнится лучше, чем выученное с утра. Выходит, что студенты, которые принимаются за подготовку к экзамену где-то ближе к полуночи, все делают правильно. По той же причине важно думать о проблемах перед сном. Конечно, заснуть будет сложнее, но мы загрузим вопрос в мозг, и, может быть, наутро придет какое-то решение. Кстати, сновидения - это, скорее всего, просто побочный эффект обработки информации.
Как обучение зависит от эмоций
Обучение в большой степени зависит от внимания , потому что оно направлено на то, чтобы снова и снова прогонять импульсы по конкретным путям нейронной сети. Из огромного количества информации мы на чем-то фокусируемся, берем это в рабочую память. Дальше то, на чем мы удерживаем внимание, попадает уже в память долговременную. Вы могли понять всю мою лекцию, но это не означает, что вам будет легко ее пересказать. А если вы прямо сейчас на листке бумаги нарисуете велосипед, то это не значит, что он будет хорошо ездить. Люди склонны забывать важные детали, особенно если они не специалисты по велосипедам.
У детей всегда были проблемы с вниманием. Но сейчас в этом смысле все становится проще. В современном обществе уже не так нужны конкретные фактические знания - просто их стало невероятно много. Гораздо важнее оказывается способность быстро ориентироваться в информации, отличать достоверные источники от недостоверных. Нам уже почти и не нужно долго концентрироваться на одном и том же и запоминать большие объемы информации - важнее быстро переключаться. Кроме того, сейчас появляется все больше профессий как раз для людей, которым сложнее концентрироваться.
Есть еще один важный фактор, влияющий на обучение, - эмоции. На самом деле это вообще главное, что у нас было на протяжении многих миллионов лет эволюции, еще до того, как мы нарастили всю эту огромную лобную кору. Ценность овладения тем или иным навыком мы оцениваем с точки зрения того, радует он нас или нет. Поэтому здорово, если удается наши базовые биологические эмоциональные механизмы вовлекать в обучение. Например, выстраивать такую систему мотивации, в которой лобная кора не думает о том, что мы должны выучить что-то с помощью усидчивости и целенаправленности, а в которой прилежащее ядро говорит, что ему просто чертовски нравится это занятие.
Ответ на вопрос, что изучает нейробиология, довольно краток. Нейробиология – это отрасль биологии и наука, изучающая строение, функции и физиологию мозга. Само название данной науки говорит, что главными объектами изучения служат нервные клетки – нейроны, из которых состоит вся нервная система.
- Из чего состоит мозг помимо нейронов?
- История развития нейробиологии
- Нейробиологические методы исследования
Из чего состоит мозг помимо нейронов?
В строении нервной системы помимо собственно нейронов принимают ещё участие разнообразные клеточные глии, на долю которых приходится большая часть объёма мозга и других участков нервной системы. Глии предназначены для обслуживания и тесного взаимодействия с нейронами, обеспечивая их нормальное функционирование и жизнедеятельность. Поэтому современная нейробиология мозга изучает также нейроглии, и их разнообразные функции по обеспечению нейронов.
История развития нейробиологии
Современная история развития нейробиологии как науки началась с цепочки открытий на рубеже 19-20 веков:
- Представители и сторонники основанной в первой половине XIX века Й.-П. Мюллером немецкой школы физиологии (Г. фон Гельмгольц, К. Людвиг, Л. Герман, Э. Дюбуа-Реймон, Ю. Бернштейн, К. Бернар и пр.) смогли доказать электрический характер передаваемых нервными волокнами сигналов.
- Ю. Бернштейн в 1902 году предложил мембранную теорию, описывающую возбуждение нервной ткани, где определяющая роль отводилась ионам калия.
- Его современник Е. Овертон в том же году открыл, что натрий необходим для генерации возбуждения в нерве. Но современники не оценили по достоинству работ Овертона.
- К. Бернар и Э.Дюбуа-Реймон предположили, что мозговые сигналы передаются через химические вещества.
- Российский учёный В.Ю.Чаговец чуть раньше опубликования мембранной теории Бернштейна выдвинул в 1896 году собственную ионную теорию возникновения биоэлектрических явлений. Он также экспериментально подтвердил, что электрический ток оказывает раздражающее физико-химическое действие.
- У истоков электроэнцефалографии стоял В.В. Правдич-Неминский, который в 1913 году смог впервые зафиксировать с поверхности черепа собаки электрическую активность её мозга. А первую запись человеческой электроэнцефалограммы удалось сделать в 1928 году австрийскому психиатру Г. Бергеру.
- В исследованиях Э.Хаксли, А.Ходжкина и К.Коула были раскрыты механизмы возбудимости нейронов на клеточном и молекулярном уровне. Первый в 1939 году смог измерить, как при возбуждении мембраны гигантских аксонов кальмара меняется её ионная проводимость.
- В 60-е годы в институте физиологии АН УССР под руководством ак. П.Костюка были впервые зарегистрированы ионные токи в момент возбуждения мембран нейронов позвоночных и беспозвоночных животных.
Затем история развития нейробиологии пополнилась открытием многих компонентов, принимающих участие в процессе внутриклеточной сигнализации:
- фосфатазы;
- киназы;
- ферменты, участвующие в синтезе вторичных посредников;
- многочисленные G-белки и другие.
В работе Э.Нэера и Б.Сакмана были описаны исследования одиночных ионных каналов в мышечных волокнах лягушки, которые активировались ацетилхолином. Дальнейшее развитие методов исследования позволило изучить активность всевозможных одиночных ионных каналов, имеющихся в клеточных мембранах. В последние 20 лет в основы нейробиологии стали широко внедряться методы молекулярной биологии, что позволило понять химическое строение различных белков, участвующих в процессах внутриклеточной и межклеточной сигнализации. С помощью электронной и усовершенствованной оптической микроскопии, а также лазерных технологий стало возможным изучение основ физиологии нервных клеток и органелл на макро- и микроуровнях.
Видео о нейробиологии – науке о мозге:
Нейробиологические методы исследования
Теоретические методы исследования в нейробиологии головного мозга человека во многом опираются на изучение ЦНС животных. Человеческий мозг является продуктом длительной общей эволюции жизни на планете, которая началась в архейский период и продолжается до сих пор. Природа перебрала бесчисленные варианты устройства ЦНС и составляющих её элементов. Так, подмечено, что нейроны с отростками и протекающие в них процессы у человека остались точно такими же, как у намного более примитивных животных (рыб, членистоногих, рептилий, амфибий и т. д.).
В развитии нейробиологии последних лет всё чаще используются прижизненные срезы головного мозга морских свинок и новорожденных крысят. Часто употребляется нервная ткань, культивированная искусственно.
Что же могут показать современные методы нейробиологии? Прежде всего, это механизмы работы отдельных нейронов и их отростков. Чтобы зарегистрировать биоэлектрическую активность отростков или самих нейронов, используются особые приёмы микроэлектродной техники. Она, в зависимости от задач и предметов исследования, может выглядеть по-разному.
Чаще всего используется два вида микроэлектродов: стеклянные и металлические. Для последних часто берётся вольфрамовая проволока толщиной от 0,3 до 1 мм. Чтобы зафиксировать активность одиночного нейрона, микроэлектрод вставляется в манипулятор, способный очень точно продвигать его в мозге животного. Манипулятор может работать отдельно или будучи прикреплённым к черепу объекта в зависимости от решаемых задач. В последнем случае устройство должно быть миниатюрным, поэтому получило название микроманипулятора.
Регистрируемая биоэлектрическая активность зависит от величины радиуса кончика микроэлектрода. Если этот диаметр не превышает 5 микронов, то становится возможным регистрировать потенциал единичного нейрона, если при этом кончик электрода приблизится к исследуемой нервной клетке примерно на 100 микрон. Если у кончика микроэлектрода вдвое больший диаметр, то фиксируется одновременная активность десятков или даже сотен нейронов. Также широко распространены микроэлектроды, изготовленные из стеклянных капилляров, диаметры которых колеблются в пределах от 1 до 3 мм.
Что интересного Вы знаете о нейробиологии? Что Вы думаете об этой науке? Расскажите об этом в комментариях .
Когнитивная нейробиология — наука, изучающая связь активности головного мозга и других аспектов нервной системы с психическими процессами и поведением. Особое внимание когнитивная нейробиология уделяет изучению нейронной основы мыслительных процессов. Когнитивная нейробиология является разделом как психологии, так и нейробиологии, пересекаясь с когнитивной психологией и нейропсихологии.
Когнитивной нейробиология основывается на теориях когнитивных наук в сочетании с доказательствами по нейропсихологии и компьютерного моделирования.
Благодаря междисциплинарном характере, когнитивная нейробиология может иметь разное фон. Кроме вышеупомянутых связанных дисциплин, когнитивная неврология может пересекаться с такими дисциплинами: нейробиология, биоинженерия, психиатрия, неврология, физика, информатика, лингвистика, философия и математика.
В когнитивной нейробиологии используются экспериментальные методы психофизиологии, когнитивной психологии, функциональной нейровизуализации, электрофизиологии, психогенетики. Важными аспектом когнитивной нейробиологии является изучение людей, имеющих нарушения психической деятельности вследствие повреждений головного мозга.
Связь строения нейронов с когнитивными способностями подтверждается такими фактами, как увеличение количества и размеров синапсов в мозге крыс в результате их обучения, уменьшение эффективности передачи нервного импульса по синапсам, что наблюдается у людей, пораженных болезнью Альцгеймера.
Одним из первых мыслителей, которые утверждали, что мышление осуществляется в головном мозге, был Гиппократ. В 19 веке такие ученые как Иоганн Петер Мюллер осуществляют попытки изучить функциональную структуру головного мозга в аспекте локализации мыслительных и поведенческих функций в участках головного мозга.
Появление новой дисциплины
Рождение когнитивной науки
11 сентября 1956 состоялась крупномасштабная совещание когнитивисты в Массачусетском технологическом институте. Джордж А. Миллер представил свою работу «Магическое число семь, плюс-минус два», Хомский и Ньюэлл и Саймон представили результаты своей работы по информатике. Ульрих Найссер прокомментировал результаты этой встречи в своей книге Когнитивная психология (1967 год). Термин «психология» ослабевает в 1950-х и 1960-х годах, уступая термина «когнитивная наука». Бихевиористы, такие как Миллер, стали ориентироваться на представление языка, а не общее поведение. Предложение Дэвида Марра по иерархического представления памяти заставила многих психологов принять идею, что умственные способности, в том числе алгоритмы, требуют значительной обработки в головном мозге.
Объединение неврологии и когнитивной науки
До 1980-х годов взаимодействие между неврологией и когнитивной наукой была незначительна. Термин «когнитивная нейробиология» был придуман Джорджем Миллером и Майклом Газзанига «на заднем сиденье такси в Нью-Йорке». Когнитивная нейробиология заложила теоретическое обоснование в когнитивной науке, которая возникла между 1950 и 1960, с подходами в области экспериментальной психологии, нейропсихологии и нейронауки. В конце 20 века развивались новые технологии, которые сегодня являются основой методологии когнитивной нейробиологии, в том числе транскраниальная магнитная стимуляция (1985) и функциональная магнитно-резонансная томография (1991). Ранее методов, которые использовались в когнитивной нейробиологии, включали ЭЭГ (ЭЭГ человека — 1920 год) и МЭГ (1968). Иногда когнитивные неврологи использовали другие методы визуализации головного мозга, такие как ПЭТ и ОФЭКТ. Будущей технологии в нейробиологии является редактирование ближней инфракрасной спектроскопии, в которой используется поглощения света для расчета изменений в оксида и дезоксигемоглобину в областях коры. Другие методы включают микронейрографию, электромиографию лица и слежения за глазами.
Приемы и методы
Томография
Структура мозга изучается с помощью компьютерной томографии, магнитно-резонансной томографии, ангиографии. Компьютерная томография и ангиография имеют меньшее разрешение при отображения мозга, чем магнитно-резонансная томография.
Исследование активности зон мозга на основе анализа обмена веществ позволяют осуществить позитрон-эмиссионную томографию и функциональную магнитно-резонансную томографию.
- Позитронно-эмиссионная томография сканирует повышенное потребление глюкозы в активных участках мозга. Интенсивность потребления радиоактивной формы глюкозы, вводимой рассматривается как параметр высокой активности клеток данного участка мозга.
- Функциональная магнитно-резонансная томография сканирует интенсивность потребления кислорода. Кислород фиксируется в результате приведения частей атома кислорода в сильном магнитном поле в нестабильное состояние. Преимуществом данного вида томографии является большая временная точность по сравнению с позитрон-эмиссионной томографией — возможность фиксировать изменения, продолжительность которых не превышает нескольких секунд.
Электроэнцефалограмма
Электроэнцефалограмма позволяет изучать процессы, происходящие в головном мозге у живого носителя, и таким образом анализировать активность мозга как реакцию на те или иные стимулы во времени. Преимуществом данного метода является возможность исследования активности мозга, заданную точным временем. Недостатком этого метода исследования мозговой деятельности является невозможность достичь точности пространственного разрешения — невозможность определить то, какие именно нейроны или группы нейронов, или даже участки мозга реагируют на данный стимул. Чтобы достичь точности пространственного разрешения, электроэнцефалограмму сочетают с позитрон-эмиссионной томографией.
Участки головного мозга и психическая деятельность
Передний мозг
- Кора головного мозга играет важнейшую роль в психической деятельности. Кора головного мозга выполняет функцию обработки информации, полученной через органы чувств, осуществления мышления, другие когнитивные функции. Кора головного мозга функционально состоит из трех зон: сенсорная, моторная и ассоциативная зоны. Функция ассоциативной зоны — связывать между собой активность сенсорных и моторных зон. Ассоциативная зона, предположительно получает и обрабатывает информацию с сенсорной зоны и инициирует целенаправленную осмысленное поведение. Центр Брока и область Вернике расположены в ассоциативных зонах коры. Ассоциативная зона лобных долей коры головного мозга предположительно отвечает за логическое мышление, суждения и умозаключения, осуществляемых человеком.
- Лобная доля коры больших полушарий — планирование, контроль и выполнение движений (моторная область коры больших полушарий — прецентральной извилина), речь, абстрактное мышление, суждение.
- Теменная доля коры головного мозга — соматосенсорные функции. В постцентральной извилины заканчиваются афферентные пути поверхностной и глубокой чувствительности. Развитие моторных и чувствительных функций коры головного мозга определил большую площадь тех зон, которые соответствуют частям тела, наиболее значимые в поведении и получении информации из внешней среды. Электростимулирование постцентральной извилины обусловливает ощущение прикосновения в соответствующей части тела.
- Затылочная доля коры головного мозга — зрительная функция. Волокна, с помощью которых зрительная информация поступает в кору головного мозга, направленные как ипсилатерально, так и контралатерально. (Зрительный перекрест Optic Chiasm)
- Височная доля коры головного мозга — слуховая функция.
- Таламус перераспределяет информацию от органов чувств, за исключением обоняния, к определенным участкам коры головного мозга. Четыре основные ядра таламуса соответствуют четырем видам чувств информации, получают органы: (зрительная, слуховая, тактильная, чувство равновесия и баланса). Ядра таламуса направляют информацию для переработки в определенных участков коры головного мозга.
- Гипоталамус взаимодействует с лимбической системой и регулирует базовые навыки поведения индивида, связанные с выживанием вида: борьба, питание, избавление с помощью побега, поиск партнера.
- Лимбическая система связана с памятью, обонянием, эмоциями и мотивацией. Неразвитость лимбической системы, например, у животных, говорит о преимущественном инстинктивное регулирования поведением. Миндалевидное тело лимбической системы связано с реакциями агрессии и страха. Удаление или повреждение миндалевидного тела, как показывают опыты, приводит к Неадаптивные отсутствии страха и повышенной сладострастия Перегородка головного мозга связана с эмоциями страха и гнева.
- Гиппокамп (часть мозга) играет очень важную роль в процессах, связанных с запоминанием новой информации. Нарушение гиппокампа обусловливает невозможность запоминания новой информации, хотя информация, которая была усвоена по-прежнему остается в памяти, и человек может ею оперировать. Синдром Корсакова, связанный с нарушением функционирования памяти, обусловленный дисфункцией гиппокампа. Еще одной функцией гиппокампа является определение пространственного расположения вещей, их расположение друг относительно друга. Согласно одной из гипотез, гиппокамп формирует схему или карту пространстве, в котором организму приходится ориентироваться.
- Базальные ядра выполняют моторные функции.
Средний мозг
Средний мозг играет важнейшую роль в поведении нессавцевих видов животных организмов. Однако и у млекопитающих средний мозг осуществляет важные функции контроля движения глаз, координации.
- Ретикулярная активирующая система (ретикулярная формация), действие которой находится и на конечный мозг, — это система нейронов, играет важнейшую роль в процессах сознания. Ретикулярная формация отвечает за процессы пробуждения / засыпания, фильтрацию второстепенных стимулов, поступающих в головной мозг. Вместе с таламусом ретикулярная формация обеспечивает осознание индивидом собственного существования обособленного от внешних стимулов.
- Центральное серое вещество мозга (периакведуктальна серое вещество в мозге), расположенной в стволе головного мозга и окружающей окружающую сильвиевой водопад среднего мозга, связанная с адаптивной поведением индивида.
Задний мозг
В продолговатом мозге нервы правой стороны организма соединяются с левым полушарием, а нервы левой стороны организма соединяются с правым полушарием. Некоторая часть информации, передаваемой с помощью нервов является ипсилатерально.
Нейромедиаторы и психическая деятельность
Нейромедиаторы ответственные за взаимодействие нейронов в нервной системе.
- Ацетилхолин — предполагается, что этот нейромедиатор участвует в процессах памяти, поскольку его высокие концентрации обнаружены в гиппокампе
- Дофамин — связан с регулированием движения, внимания и обучения.
- Адреналин — влияет на чувство настороженности.
- Серотонин — связан с регулированием пробуждения, засыпания, настроения.
- Гамма-аминомасляная кислота — воздействует на механизмы обучения и запоминания
Познавательные способности
Внимание
Теория интеграции признаков объясняет ранние процессы зрительного восприятия связанного с вниманием нашла Нейробиологические базу в исследованиях Дэвида Хьюбел и Торстена Визеля. Ученые обнаружили нейронную основу механизма зрительного поиска. Нейроны коры головного мозга различным образом реагировали на зрительные стимулы связаны с определенной пространственной ориентацией (вертикальной, горизонтальной, наклонной под углом). Дальнейшие исследования, проведенные рядом ученых, показали, что различные этапы зрительного восприятия связаны с разной активностью нейронов коры головного мозга. Одна активность соответствует ранним этапам обработки зрительного стимула и стимульнои признаки, другая активность соответствует поздним этапам восприятия, характеризующихся фокальной вниманием, синтезом и интеграцией признаков.
Также темами когнитивной нейробиологии являются:
- Обучение
- Память
- Зеркальные нейроны
- Сознание
- Принятие решений
- Негативность рассогласования
Последние тенденции
Одной из наиболее значимых современных тенденций в когнитивной неврологии в том, что область исследования постепенно расширяется от локализации области мозга для выполнения конкретных функций в головном мозге взрослого человека с помощью одной технологии исследования расходятся в разных направлениях, таких как мониторинг быстрого сна, машина, способная воспринимать электрическую активность мозга во время сна.
Нейробиологи, нейрофизиологи, нейролингвисты, нейропсихологи — среди этих ученых есть те, кто не только изучает мозг, но и пишет об этом книги. Мы собрали для вас самые лучшие. Каждая из этих книг стала сенсацией. В каждой — необычные исследования и поражающие воображение выводы. Читайте и удивляйтесь.
Сьюзан Вайншенк — известный американский ученый, специализирующийся на поведенческой психологии. Ее называют «Леди Мозг», поскольку она изучает последние достижения в области неврологии и человеческого мозга и применяет полученные знания в бизнесе и повседневной жизни. В своей книге Сьюзан рассказывает об основных законах работы мозга и психики. Она выделяет 7 главных мотиваторов человеческого поведения, которые определяют нашу жизнь. Если знать эти законы и мотиваторы, а также приемы, которые их запускают, то можно влиять на поведение любых людей. Подробнее об этом в обзоре по книге «Законы влияния», представленном в Библиотеке «Главная мысль». вы можете скачать на нашем сайте бесплатно.
Дэвида Льюиса называют отцом нейромаркетинга. Начиная с 1980-х годов он проводил исследования электрических реакций мозга на разные виды рекламы, выявляя принципы мыслительной деятельности покупателей, которые можно применить в продажах. Более тридцати лет темой нейробиологических исследований Дэвида Льюиса была уязвимость мозга человека и различные методы воздействия на него. «Я прикреплял электроды к головам добровольцев, чтобы фиксировать электрическую активность их мозга во время просмотра телевизионных рекламных роликов. Брал образцы слюны на анализ, отслеживал с помощью специальных приборов движения глаз и малейшие изменения мимики. Те первые исследования вылились в то, что стало многомиллиардной индустрией нейромаркетинга», - говорит он. Одно из первых открытий, которое сделал Льюис, состояло в том, что человек, идя в магазин, далеко не всегда преследует своей целью выгодную покупку. Часто таким образом люди борются с депрессией, поднимают себе настроение, повышают собственный престиж, удовлетворяют любопытство, уничтожают скуку. Шопинг превратился в развлечение и одновременно терапию для миллионов людей. А для корпораций в условиях колоссальной конкуренции задачей номер один стало изучение процессов, происходящих в голове покупателя. Почему человек делает выбор из миллиона аналоговых продуктов в пользу конкретного бренда? Об этом по этой книге, представленном в Библиотеке «Главная мысль».
Доктор медицины Норман Дойдж посвятил свои исследования пластичности мозга. В своем главном труде он делает революционное заявление: наш мозг способен менять собственную структуру и работу благодаря мыслям и действиям человека. Дойдж рассказывает о последних открытиях, доказывающих, что человеческий мозг пластичен, а значит, способен самоизменяться. В книге представлены истории об ученых, врачах и пациентах, которые смогли добиться удивительных трансформаций. Тем, у кого были серьезные проблемы, удалось без операций и таблеток вылечить заболевания мозга, считавшиеся неизлечимыми. Ну а те, у кого не было особых проблем, смогли значительно улучшить работу своего мозга. Подробнее , представленном в Библиотеке «Главная мысль».
Келли Макгонигал — профессор Стэнфордского университета, нейрофизиолог, доктор философии, психолог, ведущий эксперт в области изучения взаимосвязи между психическим и физическим состояниями человека. Ее учебные курсы «Наука силы воли», «Наука сострадания» и другие удостоены множества наград. Книги Макгонигал переведены и изданы в десятках стран мира, они популярным языком рассказывают о том, как использовать достижения в области психологии и нейрофизиологии, чтобы сделать человека более счастливым и успешным. Эта книга посвящена проблеме нехватки силы воли. Кто из нас не обещал себе похудеть, перестать объедаться, бросить курить, начать ходить в спортзал с понедельника, покончить с опозданиями или слишком затратным шопингом? Но каждый раз эти слабости брали над нами верх, снабжая еще и чувством вины и собственной никчемности. Есть ли выход из этого замкнутого круга? Да, есть! Келли Макгонигал убеждена, что наука может нам помочь натренировать силу воли. Об этом по этой книге, представленном в Библиотеке «Главная мысль».
Джон Медина — известный молекулярный биолог, занимающийся изучением генов, которые участвуют в развитии мозга, и генетикой психических расстройств. Медина - профессор биоинженерии Вашингтонского университета, руководитель Центра исследований мозга при Тихоокеанском университете Сиэтла. Одновременно с активной научной деятельностью Джон Медина на протяжении многих лет является консультантом различных биологических и фармацевтических компаний, занимается литературным творчеством — он автор 6 научно-популярных книг по биологии. Итогом многолетних исследований Медины стала концепция, описывающая 12 «правил мозга», которая и нашла отражение в этой книге. , представленном в Библиотеке «Главная мысль», мы познакомим вас с концепцией ученого.
Андре Алеман — профессор Университета Гронингена, занимающийся когнитивной нейропсихологией, много лет изучает процессы старения мозга. В своей книге Алеман задаётся вопросом, от чего зависит сохранность функций мозга в старости, несмотря на естественные биологические процессы. В книге он рассказывает, как защититься от необратимых изменений и обеспечить себе хорошее качество жизни в любом возрасте. Многое зависит от того, что вы знаете о работе мозга и какие привычки вырабатываете в течение жизни. Скажем, последние нейрофизиологические исследования доказывают, что в зрелом мозге продолжают рождаться нейроны, однако если мозг «отдыхает» и не учится новому, то они быстро погибают.