Главная страница
qrcode

Нейронаука наука о мозге


НазваниеНейронаука наука о мозге
АнкорNeuroscience Science of Brain 1(1).pdf
Дата24.11.2017
Размер8.19 Mb.
Формат файлаpdf
Имя файлаNeuroscience_Science_of_Brain_1_1.pdf
оригинальный pdf просмотр
ТипДокументы
#49087
страница2 из 9
Каталогhateman31

С этим файлом связано 49 файл(ов). Среди них: и ещё 39 файл(а).
Показать все связанные файлы
1   2   3   4   5   6   7   8   9
0%
со
-
направленности
50%
со
-
направленности
100%
со
-
нарпавленности
Доля предпочти
-
тельных решений
Со
-
направленность
( %)

Передовые исследования
Цветочувствительные клетки. Определенные нейроны по-разному активируются в ответ на разные длины световых волн. Некоторые лучше отвечают на длинные волны, другие – на короткие. Вы можете подумать,
что этого достаточно для восприятия цвета, но это может быть не так. Сравните записи активности клеток слева и справа. В чем отличие?
Слева. Умный дизайн цветной мозаики, названный
Мондрианом (в честь артиста Пета Мондриана). Она освещена различными комбинациями длинных,
средних и коротких волн света таким образом, что панели в итоге отражают одинаковые смеси цветов,
хотя мы всегда воспринимаем их как разные цвета из-за наличия окружающих участков. Клетки V1,
показанные слева, активируются в некоторой степени во всех случаях. Они не «воспринимают»
цвет, они просто отвечают на смесь идентичных длин волн, отраженную от каждого участка.
Вера в видимое
Область V5 делает больше, чем просто регистрирует движение зрительных стимулов, она регистрирует воспринимаемое движение. Если зрительные фокусы происходят так, что область точек воспринимается как двигающаяся в том или другом направлении благодаря движению окружающих точек, то есть иллюзии движения, то нейроны,
соответствующие области иллюзии, будут активироваться различно на правонаправленное и левонаправленное воспринимаемое движение. Если движение совершенно случайное, нейроны, обычно отвечающие на движение вправо, активируются немного сильнее в опытах, где наблюдатель говорит, что сигнал случайного движения направлен вправо (и наоборот). Различие между нейрональными решениями «вправо» и «влево» отражает то, что наблюдатель судит о появлении движения, но не об абсолютной природе двигающегося стимула.
Другие примеры зрительного решения и нерешительности включают реакции на воспринимаемые цели, которые на самом деле неясны, такие как куб Некера (рисунок). При таком типе стимула наблюдатель находится в нерешительности, постоянно переходя от одной интерпретации к другой. Сходная конкуренция происходит, когда левый глаз видит набор вертикальных линий, а правый – набор горизонтальных линий. Результирующее восприятие называется бинокулярной конкуренцией, при этом наблюдатель сначала говорит, что доминируют вертикальные линии, потом горизонтальные, и потом снова вертикальные. Восприятие наблюдателем переключения между горизонтальным и вертикальным отражается нейронами различных областей зрительного мозга.
Справа. Истинные цветочувствительные клетки в
V4 активируются на участок Мондриана, который мы видим как красный, и гораздо меньше на другие участки. Этот дифференцированный ответ наблюдается, даже если от каждого фрагмента отражаются одинаковые триплеты волновых энергий. Следовательно, V4 может быть областью мозга, которая позволяет нам воспринимать цвета, хотя многие нейробиологи считают, что участвует не только она.
Наш зрительный мир – удивительное место. Свет,
входящий в глаза, позволяет нам оценивать мир вокруг нас, от простейших объектов до произведений искусства, которые изумляют и занимают нас. Миллионы и миллионы нейронов участвуют и выполняют разные виды работ, от фоторецепторов сетчатки, отвечающих на пятнышко света, до нейронов области V5, решающих,
двигается ли зрительный мир. Все это, очевидно,
без усилий происходит в мозге. Мы не до конца это понимаем, но нейробиологи проводят великие исследования.
Колин
Блейкмор внес большой вклад в
понимание развития зрительной системы.
Ему принадлежат пионерские работы на клеточных культурах по изучению взаимодействия между различными частями проводящего пути в
эмбриональном мозге
(слева).
Справа показаны аксоны (окрашены зеленым),
растущие вниз от развивающейся коры,
чтобы встретиться с другими волокнами
(окрашены оранжевым),
выполняющими
«рукопожатие»
перед тем, как расти вверх в кору.
Интернет-ссылки: faculty.washington.edu/chudler/chvision.html http://www.ncl.ac.uk/biol/research/psychology/nsg
18
СЕРЫЙ
КРАСНЫЙ
СИНИЙ
ЗЕЛЕНЫЙ
ЗЕЛЕНЫЙ
СИНИЙ
КРАСНЫЙ
ЖЕЛТЫЙ

Движение
Подумайте о ловле мяча. Легко? Может показаться так, однако, даже чтобы совершить это простое движение, мозг должен сделать несколько замечательных вещей. Мы не замечаем, что это спланировано. Мяч легкий или тяжелый? Откуда и как быстро он летит? Здесь нужна координация. Как у Вас получается автоматически координировать движения конечностей для ловли, и как это сделать лучше всего? Также необходимо выполнение.
Находится ли ваша рука в нужном месте, и вовремя ли ваши пальцы смыкаются? Нейробиологи теперь знают, что в этом участвует много областей мозга.
Нервная активность в этих областях формирует пропущенную цепь команды – двигательную иерархию – от коры мозга и базальных ядер до мозжечка и спинного мозга.
Нервно-мышечное соединение
В самой нижней части двигательной иерархии, спинном мозге, сотни специализированных нервных клеток – мотонейронов – увеличивают частоту своей активности. Аксоны этих нейронов проецируются на мышцах, где они активируют сократимые мышечные волокна. Концевые разветвления аксона каждого мотонейрона образуют специализированные нервно- мышечные соединения на ограниченном количестве мышечных волокон одной мышцы (смотрите рисунок ниже). Каждый потенциал действия мотонейрона вызывает освобождение нейротран- смиттера из нервных окончаний и генерирует потенциал действия в мышечных волокнах. Это вызывает освобождение кальция из внутриклеточ- ных депо внутри каждого мышечного волокна. В итоге это запускает сокращение мышечных волокон, приводящее к развитию силы и движению.
Чтобы заставить мышцы сокращаться, нервы образуют специализированные контакты с одиноч- ными мышечными волокнами в нервно-мышечных соединениях. Во время развития к каждому мышеч- ному волокну направляется много нервных волокон, однако в процессе соревнования между нейронами остается лишь одно, а другие удаля- ются. Итоговый успешный нерв остается для выделения нейротрансмиттера ацетилхолина на специализированные молекулярные датчики в
«двигательной концевой пластинке» (окрашены красным). Изображение получено на конфокальном микроскопе.
Запись электрической активности, связанной с мышцами (электромиографическая активность).
Электрические события в мышцах руки могут быть записаны с использованием усилителя, даже с поверхности кожи, и эти электромиограммы могут быть использованы для измерения уровня активности каждой мышцы (смотрите рисунок выше).
Спинной мозг играет важную роль в контроле мышц за счет нескольких различных рефлекторных путей.
К ним относятся рефлексы отдергивания, защищающие от острых или горячих предметов, и рефлексы растяжения, участвующие в поддержании позы. Известный коленный рефлекс является примером рефлекса растяжения, в котором участвуют только два нейрона – чувствительный, который регистрирует длину мышцы, и мотонейрон, вызывающий движение. Эти рефлексы, комбинируясь с более сложными, организуют в спинномозговых сетях элементы поведения, такие как ритмическое движение конечностей при ходьбе или беге. Они включают в себя возбуждение и подавление мотонейронов.
Мотонейроны являются общим конечным путем к мышцам, которые двигают кости. Однако мозг имеет большую проблему с контролем активности этих клеток. Какие мышцы должны двигаться для выполнения какого-либо конкретного движения, как сильно и в каком порядке?
Вершина иерархии – двигательная кора
На противоположном конце двигательной иерархии находится кора мозга, где происходит непостижимое количество расчетов, проводимых многими десятками тысяч клеток для каждого элемента движения. Эти расчеты обеспечивают гладкость и искусность движений. Между корой мозга и мотонейронами спинного мозга
ЭМГ
сигнал
19
Уровень силы
100
мс

Эксперимент по движению
Что двигает мной? Попробуйте этот эксперимент с другом. Положите довольно тяжелую книгу в правую ладонь. Теперь поднимите книгу из правой руки левой рукой.
Ваша задача – держать вашу правую руку неподвижной. Вы сделаете это легко. Теперь попробуйте держать руку абсолютно неподвижной, пока ваш друг поднимает книгу из вашей руки. Только немногие люди могут это сделать. Лишь продолжительная тренировка позволит приблизиться к точному выполнению этой задачи, казавшейся легкой, когда Вы выполняли ее сами.
Области мозга, участвующие в контроле движений находятся ключевые области ствола мозга, комбинирующие восходящую информацию от конечностей и мышц и нисходящую информацию от коры мозга.
Двигательная кора - это тонкая полоска ткани, расположенная на поверхности мозга, непосредственно перед соматосенсорной корой
(смотрите с. 12). Здесь находится полная карта тела
– нервные клетки, обеспечивающие движение разных конечностей (через соединения с мотонейронами спинного мозга), расположены топографически. Используя регистрирующий электрод, можно обнаружить активацию нейронов в любой части этой карты примерно за 100 миллисекунд до активации соответствующих мышц.
Что конкретно кодируется в двигательной коре, долго являлось предметом споров –либо корковые нейроны кодируют действие, которое человек хочет совершить, либо кодируют работу индивидуальных мышц, которые должны сократиться. Ответ – ни то, ни другое. Вместо этого используется популяционный код, в котором действие определяется активностью нейронного ансамбля.
Непосредственно перед моторной корой находятся премоторные зоны, участвующие в планировании действий, подготовке спинномозговых сетей к движению, процессах подготовки связи между наблюдением движения и понятием телодвижения.
Выдающейся находкой явилось открытие зеркальных нейронов у обезьян, которые отвечали, и когда обезьяна видела движение руки, и когда животное выполняло такое же движение.
Зеркальные нейроны, видимо, важны для имитации и понимания действия. За двигательной корой, в теменной доле находятся различные области, связанные с пространственным представлением тела, а также зрительных и слуховых целей вокруг нас. Они имеют карту, где указано положение наших конечностей и где находятся интересующие цели по
Этот эксперимент показывает, что сенсомоторные области мозга знают гораздо больше о том, что Вы делаете, чем Вы узнаете, глядя, как другие запускают ваши действия отношению к нам. Повреждение этих нейронов, например, после инсульта, приводит к нарушению достижения объектов, или даже игнорированию или отрицанию мира вокруг себя. Пациенты с так называемым «париетальным игнорированием» не замечают объекты (часто с левой стороны), а некоторые даже отрицают левую часть своего тела.
Базальные ядра
Базальные ядра – это совокупность соединенных областей, расположенных под корой в глубине полушарий мозга. Они необходимы для начала движения, хотя, как они это делают, не очень понятно.
“…зеркальные нейроны сделают для психологии то, что ДНК сделали для биологии: они обеспечат унифицированную систему взглядов и помогут объяснить множество умственных способностей, которые до сих пор остаются загадочными и недоступными для экспериментального изучения.
Они являются великим скачком вперед в эволюции мозга приматов» В.С.
Рамачандран
20
Базальные ядра
(
внутри
)
Мозжечок
Теменная доля
Двигательная кора
Премоторная кора

Базальные ядра действуют как сложный фильтр, выбирающий информацию из огромного числа различных входов, получаемых от передней половины коры (чувствительные, двигательные, префронтальные и лимбические области). Выход из базальных ядер идет обратно к двигательным корковым областям.
Распространенное двигательное нарушение - болезнь Паркинсона - характеризуется тремором и сложностью начать движение. При нем будто бы селективный фильтр в базальных ядрах заблокирован. Проблема заключается в дегенерации нейронов в области мозга под названием «черное вещество», чьи длинные проекционные аксоны освобождают нейромедиатор дофамин в базальных ядрах
(смотрите «Передовые исследования» ниже).
Точное расположение дофаминовых аксонов на нейронах базальных ядер очень запутано, что предполагает важное взаимодействие между различными нейромедиаторами. Лечение препаратом L-Допа, который превращается в мозге в дофамин, восстанавливает уровень дофамина и движение (смотрите Главу 16).
Базальные ядра также важны для обучения, обеспечивая выбор действий, ведущих к вознаграждению.
Мозжечок отношению к движущейся зрительной цели, программирования движений ваших конечностей до настройки позных рефлексов руки. На всех уровнях необходимо интегрировать чувствительную информацию в поток сигналов, идущих к мышцам.
Мозжечковая клетка Пуркинье с сильно разветвленным дендритным деревом. Оно служит для получения множества входов, необходимых для точной временной настройки красивых выученных движений.
Мозжечок необходим для искусного гладкого движения. Это красивая нейронная машина, чья запутанная клеточная архитектура была установлена в мельчайших подробностях. Как и базальные ядра, мозжечок имеет обширные взаимосвязи с корковыми областями, участвующими в двигательном контроле, а также со структурами ствола мозга.
Повреждение мозжечка ведет к плохо скоординированным движениям, потере равновесия, невнятной речи, а также когнитивным трудностям. Звучит знакомо? Алкоголь имеет сильный эффект на мозжечок.
Мозжечок также необходим для двигательного обучения и адаптации. Почти все произвольные движения основываются на точном контроле двигательных сетей, а мозжечок важен для их оптимальной настройки, например, во времени. Он имеет стереотипное корковое устройство и необходим для соединения вместе огромного количества информации от чувствительных систем, корковых двигательных областей, спинного мозга и ствола мозга. Приобретение выученных движений связано с клеточным механизмом обучения под названием
«долговременная депрессия» (ДВД), уменьшающим силу некоторых синапсов
(смотрите главу «Пластичность»). Существует несколько теорий функции мозжечка, многие связаны с идеей о том, что он генерирует
«модель» работы двигательных систем – по типу симулятора виртуальной реальности вашего тела в голове. Он строит эту модель с использованием синаптической пластичности, заложенной в его запутанной сети. Итак, поймайте мяч опять, и представьте все уровни вашей двигательной иерархии – от планирования действия по
Передовые исследования
Базальные ядра корковые афференты
Хвостатое ядро
10 тысяч корковых терминалей
Скорлупа
10000 дофаминовых синапсов на дофаминовый дендритных шипиках афферент нейрон полосатого тела
ЧВ
Черное
Вещество (ЧВ)
Неожиданная история про дофамин
Химия, лежащая в основе действий и привычек, включает в себя нейромедиатор дофамин, который выделяется на нейроны базальных ядер и действует на метаботропные рецепторы (Глава 3). Это служит одновременно и стимулом действовать, и сигналом вознаграждения за соответствующее действие.
Удивительным новым открытием было то, что освобождение дофамина наиболее высоко при неожиданном вознаграждении. Таким образом, дофаминовые нейроны активируются наиболее сильно на этапе обучения, когда это очень помогает дать двигательной системе сильное подкрепление в ответ на правильное действие. Затем движения могут быть вызваны вместе путем освобождения последовательных порций дофамина. Далее, особенно если сложные движения стали привычными, система работает самостоятельно, без дофаминового вознаграждения. С этого момента, особенно если движения точны во времени, начинает играть роль мозжечок.
Узнайте историю того, как нейробиологи изучили контроль движения, на:
http://www.pbs.org/wgbh/aso/tryit/brain/
21

A
Б
В
Г
Д
Е
Развитие нервной системы
Мозг разных особей в общих чертах одинаков. Кроме того, он во многом похож у всех млекопитающих.
Устройство мозга в основном определяется генетически, однако мелкие детали сетей зависят от электрической активности мозга, особенно на раннем этапе развития. Мы до сих пор далеки от полного понимания того, как развивается мозг, однако в последние годы был сделан прорыв благодаря революции в генетике.
Берем одну оплодотворенную яйцеклетку, далее следуем инструкции
Человеческое тело и мозг развиваются из одной клетки
– оплодотворенной яйцеклетки. Как? Основной принцип биологии развития заключается в том, что геном – это набор инструкций для создания тела, но не детальный проект. Геном состоит примерно из 40000 генов, которые руководят этим процессом. Выполнение этих инструкций напоминает китайское искусство изготовления бумажных фигур – ограниченный набор действий – согнуть, повернуть, разогнуть – создает структуру, для детального описания которой потребовалось бы множество рисунков. Начиная с эмбриона, сравнительно малый набор генетических инструкций способен произвести огромное разнообразие клеток и связей мозга во время развития.
Удивительно, но мы имеем много общих генов с плодовой мушкой Дрозофилой. Большинство генов, важных для развития нервной системы человека, впервые было идентифицировано в исследованиях на плодовой мушке. Нейробиологи, исследуя развитие мозга, используют различных животных - полосатого данио, лягушку, цыпленка, мышь, и у каждого объекта имеются свои преимущества для изучения определенных молекулярных или клеточных событий.
Эмбрион полосатого данио прозрачен, что позволяет наблюдать под микроскопом, как развивается каждая клетка. Мыши быстро размножаются – их геном был картирован и почти полностью идентифицирован.
Цыплята и лягушки менее удобны для генетических исследований, однако их крупные эмбрионы позволяют проводить микрохирургические вмешательства, например – что случится, если переместить клетки в ненормальное местоположение.
Первые шаги…
Первым шагом в развитии мозга является деление клеток. Другой ключевой шаг – дифференцировка клеток, когда клетки прекращают делиться и при- обретают специфические характеристики, напри- мер, нейронов или глиальных клеток. Дифферен- цировка производит пространственное распре- деление. Различные виды нейронов мигрируют в разные места в процессе образования видов клеток.
Первое главное события образования видов клеток происходит на третьей неделе развития человеческого плода, когда плод представляет
Нервная пластинка сворачивается в нервную трубку. А – Человеческий эмбрион через 3 недели после зачатия. Б – Нервная трубка, формирующая верхнюю (заднюю) поверхность эмбриона. В – Через несколько дней у эмбриона образуются большие головные складки на переднем конце. Нервная пластинка остается открытой в головном и хвостовом конце, но закрыта между ними. Г, Д, Е. Различные уровни оси от головы до хвоста показывают разные этапы закрытия нервной трубки.
22
собой два соединенных листка делящихся клеток.
Небольшая часть клеток на верхней поверхности бислоя проинструктирована создать весь головной и спинной мозг. Эти клетки образуют структуру в форме теннисной ракетки – нервную пластинку, передняя сторона которой предназначена для формирования головного мозга, а задняя – спинного. Сигналы, определяющие судьбу этих клеток, приходят из нижележащего слоя, формирующего срединный скелет и мышцы эмбриона. Различные области ранней нервной системы экспрессируют различные поднаборы генов, обеспечивающие появление областей мозга
– переднего, среднего и заднего мозга – с различными клеточной архитектурой и функциями.
Сворачивание
Неделей позже нервная пластинка сворачивается, закрывается в трубку и погружается в эмбриона, становясь окруженной будущим эпидермисом.
Будущие глубокие изменения происходят в следующие несколько недель, включая изменения формы клеток, деление и миграцию, межклеточную адгезию. Например, нервная трубка изгибается таким образом, что область головы наклоняется под прямым углом к области туловища. Дифференцировка нервный желобок нервный гребень
Б
Г
Д
Е
A
26 Дней
Б
28 Дней
В
35 Дней
Г
49 Дней
Морфогенез человеческого мозга между 4 неделями(А) и 7 неделями (Г) после зачатия. Различные участки увеличиваются, и происходят разнообразные изгибы вдоль оси голова-хвост.
23
приводит к все лучшему и лучшему разрешению, и в конце концов дает индивидуальные особенности молодым нейронам. Этот процесс иногда может нарушаться. Нарушение закрытия нервной трубки ведет к возникновению «spina bifida», состоянию, обычно относящемуся к нижней части спинного мозга. Это плохо, но не опасно для жизни. Напротив, нарушение закрытия головного конца приводит к полному отсутствию организованного мозга - анэнцефалии.
Знай свою позицию в жизни
Принцип дифференцировки з аключается в том, что клетки узнают свое расположение по отношению к основным осям нервной системы, переднезадней и верхненижней. В результате каждая клетка измеряет свое расположение по отношению к этим прямоугольным координатам, подобно картографу, вычисляющему свое местонахождение путем измерения расстояний от определенных точек. На молекулярном уровне это работает за счет того, что эмбрион устанавливает набор локализованных поляризованных участков в нервной трубке, которые секретируют сигнальные молекулы. Молекула диффундирует от источника, образуя градиент концентрации. Примером такого чувствительного к расположению механизма является верхненижняя ось спинного мозга. Нижняя часть нервной трубки экспрессирует секретируемый протеин с удивительным названием – «Звуковой дикобраз». Звуковой дикобраз диффундирует и влияет на клетки по дорсовентральной оси в зависимости от их положения. После закрытия звуковой дикобраз вызывает экспрессию гена, создающего определенный тип интернейронов. Далее, низкие концентрации Звукового дикобраза вызывают экспрессию другого гена, создающего мотонейроны.
Оставаться на месте или знать, куда идти
Как только нейрон обрел свою индивидуальность и прекратил делиться, он отращивает свой аксон с увеличенным кончиком, называемым конусом роста.
Как ловкий горный гид, конус роста специализирован для движения через ткань, используя свои навыки для выбора лучшего пути. При этом он продвигает аксон за собой, как собака на длинном поводке. Когда цель достигнута, конус роста теряет способность двигаться и формирует синапс. Управление аксоном – это великий навигационный подвиг, точно выполняемый на коротких и длинных расстояниях. Помимо того, что клетка цели выбирается очень точно, конус роста, чтобы добраться до нее, должен пересечь другие конусы роста, направляющиеся в разные места. По пути управление дает сигналы, которые привлекают (+) либо отталки- вают (-) конусы роста, помогая им найти свой путь.
Молекулярные механизмы, отвечающие за появление этих сигналов, пока остаются малоизученными.
Созданный электрической активностью
Хотя с самого начала достигается высокая точность пространственного расположения нейронов и их соединений, создание проводящих путей в некоторых частях нервной системы происходит позднее за счет вызванного активностью усовершенствования, например, укорочения аксонов и смерти нейронов. Эти потери могут показаться расточительными, однако не всегда возможно или желательно сделать полноценный отличный мозг только строительством. Например, точное создание контактов между нейронами
Различные виды управления подают сигналы нейронам
(синие), когда они увеличивают свои аксоны и конусы роста (бугорки на передних концах). Локальные и далекие сигналы могут привлекать, либо отталкивать конусы роста. Есть некоторые примеры специфических молекулярных управляющих сигналов. в глазу и мозге, абсолютно необходимое для четкого зрения, частично достигается за счет электрической активности сетчатки. Начальный избыточный набор соединений возникает в критический период, после которого основная модель зрительной системы готова, примерно в 8 недель у обезьян и 1 год у людей. Волнует вопрос, возможно ли повторно активировать такие ранние программы развития в случаях патологической потери нейронов (как при болезнях Альцгеймера и
Паркинсона) или травмы спинного мозга, ведущей к параличу. В последнем случае можно способствовать росту аксона после травмы, однако вопрос о том, сможет ли он создать необходимый контакт, остается областью интенсивных исследований.
Геномная революция
Мы быстро получаем полный список генов, необходимых для строительства мозга. Благодаря поразительной силе молекулярно-биологических методов, мы можем изучать функцию генов, изменяя их экспрессию, где и когда мы захотим во время развития. Основной задачей сейчас является создание иерархии генетического контроля, конвертирующего пласт клеток в работающий мозг.
Это одна из главных проблем нейронауки.
Передовые исследования
Стволовые клетки – это клетки тела, имеющие способность превратиться в любой из различных видов клеток. Некоторые из них, называемые эмбриональными стволовыми клетками, размножаются очень рано в развитии. Другие найдены в костном мозге и в пуповине, соединяющей мать и ее новорожденного ребенка.
Нейробиологи пытаются установить, могут ли стволовые клетки быть использованы для восстановления поврежденных нейронов во взрослом мозге.
Большинство работ к данному моменту сделано на животных, и есть надежда, что в итоге мы сможем восстанавливать области мозга, пораженные болезнями, такими как болезнь Паркинсона.
250,000 клеток появляются в мозге каждую минуту на определенных этапах его развития.
Узнайте больше об этом на http://faculty.washington.edu/chudler/dev.html
Химическое отталкивание
1   2   3   4   5   6   7   8   9

перейти в каталог файлов


связь с админом