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
страница6 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
Awake
REM
Stage 1
Stage 2
Stage 3
Stage 4 0 1 2 3 4 5 6 7 8
Hours of Sleep
Нормальный 8-часовой сон состоит из различных фаз сна, REM (отмечен красным) фаза регистрируется 4 -6 раз за ночь
Депривация сна
Несколько лет назад, американский подросток по имени Randy Gardner вошел в книгу рекордов
Гинесса за полное бодрствование в течение 264 часов. Сам эксперимент подвергся тщательному мониторингу и контолю со стороны врачей из
SCN (A)
SCN (Б)
Супрахиазмальное (SCN) ядро активно днем (A) и неактивно ночью (Б).
39
американского флота. Как ни странно, Randy
Gardner перенес эксперимент очень хорошо.
Основными проблемами (не считая сильного желания заснуть) явились проблеми с речью, невозможность сконцентрироваться, провалы в памяти и галюцинации. При этом его тело оставалось в прекрасной физической форме, он не стал психопатом или потерял контакт с реальностью. После окончания эксперимента он проспал беспрерывно 15 часов в первую ночь, и меньшее количество экстра-часов в последующие ночи. Этот и другие похожие опыты со сном привели к мысли о том, что сон для мозга является более важным, чем для остального организма . Эксперименты на животных также подтверждают эту гипотезу.
Почему же мы спим?
Сон все еще остается одной из неразгаданных загадок нейронауки. Некоторые возражают, что сон для животных является удобной формой сохранения неподвижности и, тем самым, безопасности . Но на самом деле при эспериментах с депривацией сна было выявлено, что REM сон позволяет мозгу восстановиться. ВО время первых 4 часов сна именно так и происходит. Возможно, это позволяет перезапустить процессы в мозге, и по аналогии с судном в сухом доке, эти процессы требуют специальных условий – отсутствие необходимости обработки информации от рецепторов на периферии, контролирования тонуса, движений и действий. Исследователи также полагают, что во время сна происходит консолидация полученной за день информациии – эссенциальный процесс для памяти.
Как работают ритмы?
Исследование активности нейронов в различных областях мозга при различных стадиях сна привело к любопытным результатам. Было выявлено, что активирующая система ствола мозга вовлекает многочисленные нейротрансмиттеры, в том числе так называемый аденозин, в качестве
* А теперь ты должен заснуть! молекулярной цепной реакции, последовательно запускающей и переключающей стадии сна, благодаря синхронизационным механизмам.
Другой серьезной продвижкой в этом направлении стали изучения нейрогенетиков. Различные гены были идентицифированы в качестве молекулярных компонентов или пейсмейкеров ритма, как зубчатые колеса в яасовом механизме. Большинство работ было проведено на дрозофиллах (фруктовых мушках), были идентифицированы два гена – пер и тим – вырабатывающие белки, взаимодействующие друг с другом для регуляции собственного синтеза. mRNA и синтез протеинов происходят рано утром, с аккумуляцией белков происходит их связывание и подавление собственного синтеза. Дневной свет помогает разложить протеины, их уровень падает до такого низкого содержания, что вновь происходит активация генов и синтез белка. Цикл повторяется снова и снова, пока сохраняются жизнеспособные нейроны в культуре. Наши внутренние часы работают аналогичным образом. Так как циркадные ритмы являются ”старыми” эволюционными приобретениями, то уже не кажется удивительным, что эти определенные молекулы заводят часы в таких различных организмах.
Исследования сна
Свет Темнота
Свет
Темнота
Свет
Темнота
Свет
Темнота
10 20
Дни
30 40
Нормальные мыши раскачиваются
Мыши-мутанты сразу переключаются
Для понимания молекулярных механозмов циркадных ритмов были выведены лини мышей с подавленной экспрессией генов в супрахиазмальном ядре. Эти VIPR2 мыши нормально существовали и ничем не отличались от своих сородичей в плане чередования дня и ночи. Черные точки соответствуют активности мышей, дневной ритм с ночной активностью показан на сером фоне. Тем не менее, когда время выключения света на 25 день эксперимента было смещено на 8 часов вперед, нормальные мыши адаптировались к новому ритму за несколько дней, тогда как мутантные мыши – сразу же. Эти опыы помогают понять молекулярные механизмы циркадных ритмов и пейсмейкерных генов.
Соответствующие сайты
: http://www.hhmi.org/lectures/2000/
40 http://www.cbt.virginia.edu, http://science.howstuffworks.com/sleep.htm

Изображения мозга
Френологи в свое время предполагали, что
исследуя нервности на поверхности черепа, они
могут понять работу мозга. Несмотря на то, что
сегодня эти идеи кажутся смешными, однако
идея визуализации мозга завораживала людей в
течение многих лет. Теперь мы на самом деле
можем заглянуть внутрь черепа благодаря
современным технологиям. Современные
сканнеры на основании различных методов
позволяют увидеть нейроны, филаменты,
кровоток или энергетический метаболизм в ткани
мозга, и их нарушения.
Пути современной техники
В попытках исследовать связи между структурой и функцией неврологи и нейропсихологи достигли в свое время значительных успехов при посмертном изучении мозга. Именно таким образом были идентифицированы корковые центры речи Брока (Broca). Несмотря на успехи, такой подход имел существенные ограничения.
Ведь не всегда можно сделать вывод, что потеря функции происходит именно из-за повреждения этой области мозга. Так, дефицит также может возникнуть из-за поражения ассоциативных связей между областями мозга. Кроме того, неповрежденные участки мозга способны в определенной степени перенять утраченные функции – в этом и заключается пластичность.
Наконец, крайне редко патологические процессы повреждают всего одну функциональную область мозга, и часто промежуток времени между изучением неврологического статуса пациента и мозговой структуры может занять несколько десятков лет.
Техники прижизненного изучения структуры мозга стали развиваться около 30 лет назад. Возможность функциональной визуализации привлекла особенное внимание неврологов. Ведь стало возможным буквально заглянуть внутрь черепа, увидеть, как человеческий мозг работает, думает, учится и даже видит сны.
Как это работает
Электрофизиологические техники для мониторинга нейрональной активности основаны на изменениях мембранного потенциала активированных нейронов.
Мозг-сканнирующая техника основана на энергетических изменениях, возникающих при работе нейронов.
Электрохимические градиенты, переносящие и выносящие заряженные ионы из нейронов (что лежит в основе синаптических потенциалов и потенциалов действия) требуют энергетических затрат, основным источником которых является окисление глюкозы. Кислород и глюкоза доставляются в мозг посредством кровотока.
Особенностью церебральной гемодинамики является быстрое увеличение кровотока в активных участках. Современные аппараты измеряют изменения кровотока и используют их в качестве индекса нейрональной активности.
Среди функциональных методов исследования первой была открыта позитрон-эмиссионная томография (ПЭТ). Эта техника основана на введении радиоактивных меток, специфически соединяющихся с объектом исследования.
Кольцевые детекторные установки вокруг головы фиксируют появление, локализацию и постепенное угасание активности изотопов. ПЭТ может быть использована для картирования церебрального кровотока. Эти измерения позволяют четко локализовать функциональные когнитивные, сенсорные и моторные центры мозга. Существуют и недостатки метода, среди которых основным считается применение радиоактивных меток. Это значит, что применение ПЭТ ограничено у детей и женщин детородного возраста, а также ограничена кратность сканирования.
Другая техника, основанная на ядерно-магнитной резонансной (ЯМР) томографии, является неинвазивной и не требует применения радиоактивных субстанций.
Слева: Доходы от продаж альбомов ”Битлз” позволили оплатить создание первых мозговых сканнеров.
Справа: Современный ЯМР сканнер. Исследуемый лежит на специальном столе, который проходит через сканирующие магнитные кольца. Процедура занимает от 30 минут до часа.
41

Поэтому для ЯМР томографии нет возрастных ограничений, получаются довольно качественные изображения мозга, а новая техника на основе диффузного тензорного изображения (ДТИ) позволяет верифицировать также ассоциативные тяжи белого вещества, соединяющие различные участки мозга.
Изображения церебральных сосудов, основанные на изменениях в активности кровотока.
С применением комьпютерных технологий можно точно установить места измененного кровотока в головном мозге.
Но наиболее впечатляющим является получение функциональных изображений мозга (фЯМР). Техника исследования основана на разнице в магнетических свойствах оксигемоглобина и деоксигенированного гемоглобина в крови (и сигнал в фЯМР является зависящим от уровня оксигенации кислорода,
Blood-
Oxygenation- Level-Dependent signal – BOLD). Как только увеличивается активность нейронов и начинается ионный поток в энергетических помпах, увеличиваюся и траты кислорода и потребности в энергии. Это приводит к увеличению количества деоксигенированного гемоглобина и снижению сигнала, тогда как повышенное потребление кислорода следует всего через секунду за увеличением локальной перфузии. С увеличением кровотока возникает увеличение потрребления кислорода, таким образом, возникает относительное увеличение количества оксигемоглобина и увеличение сигнала. Точный механизм увеличения церебралной перфузии еще окончательно не выявлен, однако предполагается что здесь также вовлечены нейротрансмиттеры.
Применение на практике
Возможно, вы имеете способности в вычитании чисел.
А пытались ли вычитать мозги? Поэтому и мальчик на рисунке внизу так сконфужен. Вычитание мозговых изображений на 2-3 плоскостях предоставляет возможности для анаализа. Большинство фЯМР также измеряют BOLD сигналы. При сканировании производится мониторинг поведенческих реакций на различные стимулы. Например, можно подавать зрительные изображения на экран или слуховые стимулы через наушники. И таким образом становится возможным изучение феноменов восприятия, обучения, запоминания, мышления или планирования.
42

Часто ставятся две похожие задачи, решение которых требует последовательного разрешения каждой. Идея заключается в том, что первая должна включать заинтересованную область мозга, а вторая – нет. Полученные избражения мозга отнимаются друг от друга для получения пикселированного 2D изображения всех изменений, возникших при решении первой задачи. После этого два изображения соединяются друг с другом на компьютере для получения изображения уже в 3 плоскостях (см рисунок на предыдущей странице).
Последния достижения техники позволяют измерять и фиксировать даже короткие мысли или же мозговые события (продолжительностью всего в несколько секунд). Сейчас это носит название события-зависимая фЯМР томография. Надежные методды анализа информации позволяют верифицировать изменения интенсивности сигнала во время проведения эксперимента, так что эти тесты статистически достоверны. Сейчас широко используется пакет обработки получаемых изображений под названием статистическое
Активация области V5 указывает на восприятие движения. Информационные связи этой области включают участок V2 коры и пулвинар (Pul) в глубине мозга. Задне-теменная кора (posterior parietal cortex
(PPC) контолирует поток информации. Совместная работа обеспечивает эффективное управление. увидеть активацию медиальной теменной извилины при рутинных тестах на долгосрочную память.
Однако, новые парадигмы, включая виртуальную реальность, доказали активность именно этой области мозга при обрабоке памяти наряду с префронтальной корой и прекунеус. После рассмотрения полученных данных с новыми нейропсихологическими тестами наше понимание системы памяти мозга было пересмотрено. Новые математические техники позволили выяснить, как нейрональная активность в различных участках мозга коррелирует дла выполнения поставленных комплексных задач - так называемые эффективные связи.
Именно эти исследования позволяют понять комплексную работу различных участков мозга в составе ”одной команды”.
Существует надежда, что новые технологии, с мощными магнитами и более качественным изображением, позволят нам выявить динамические связи нейронов и нейрональных сетей во время выполнения совместных действий, мысли и восприятия.
Лицу перед сканнером показываются многочисленные образы, которые отображаются на зрительной коре, зонах V1 и V2. Использование субтракционных технологий позволило выяснить, что понимание цвета
(слева) происходит в V4, когда понимание движения
(движущиеся точки справа) активирует V5.
Передовая наука параметрическое картирование (СПК). СПК карты часто даются в цвете, где желтым окрашены самые активные участки активности, а синим или черным
– наиболее пассивные участки.
Специалисты указывают на ‘включение’ определенных участков при выполнении задачи.
Если испытуемый смотрит постоянно изменяющийся паттерн, у него активируется первичная зрительная кора. Применение движущихся окрашенных паттернов позволило выяснить строение человеческой зрительной системы. Похожие исследования были проведены для других чувствительных систем. Эта локализационная техника позволила идентифицировать участки мозга, вовлеченные в процесс чтения – трансформация зрительного изображения в фонологический код, группирование букв в слова, понимание смысла слов, и тд. Обучающие задачи, включая выявления участков мозга, вовлеченных в рецепцию и ожидание боли, также были исследованы.
Nikos Logothetis внес значительный вклад в понимание отношений между активностью нейронов в мозге и экспериментах с изображе- нием мозга. Последние исследования с применением фЯМР и электрических записей показали, что существуют тесные корреляции между синаптической активностью и BOLD сигналами при разряжении потенциала действия.
Таким образом, BOLD сигнал является более надежным индексом синаптической активности в мозге, чем измерения потенциала действия. На основании этих исследований BOLD сигнал используется для локализации функций.
Однако, с проведением исследований возникли и сюрпризы. Так, возникла неожиданная неспособность
43
Соответствующие сайты
: http://www.dcn.ed.ac.uk/bic/
http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/

Нейрональные сети и искусственный мозг
1 2
3
Настоящий мозг похож на плотное желе. Нейроны, сосуды, заполненные ликвором желудочки, состоят из липидныйх мембран, белков и огромного количества воды. Вы можете щелкнуть по мозгу пальцем, разрезать его на микротоме, внедрить электроды, исследовать кровоток. Кажется, что изучение мозга твердо закреплено за биологией и медициной, однако, другая точка зрения привлекла пристальное внимание математиков, физиков, инженеров и программистов.Они при своем описании и изучении мозга пишут формулы, создают комьпютерные программы и даже устройства, имитирующие работу настоящих нейронов в мозге.
Настящий мозг имеет высокие адаптационные способности. Он может понять незнакомую речь и позволить принимать неправильные решения.
Функции мозга сохраняются на всю жизнь, несмотря на неизбежную гибель клеток, и даже при старении мозг все еще способен к изучении новых ”трюков”.
Современные роботы способны отлично выполнять ограниченную работу, для которой они были созданы – например, сборке части автомашины, и конечно, не могут позволить себе ошибаться.
Настоящий мозг состоит из многочисленных нейрональных сетей. И конечно же, для работы нейронам нужна энергия, а сетям – пространство. В состав нашего мозга входят приблизительно 100 миллиардов нервных клеток, 3.2 миллиона километров “проводов”, миллион-миллиардов синапсов, и все это помещено в объеме 1.5 литров, весит около 1.5 кг и потребляет 10Вт энергии.
Силиконовый аналог мозга для работы в аналогичном режиме потребовал бы 10 мегаваттов
– столько составляет потреблени электричества одного города. И конечно же, при этом выделялось бы столько тепла, что силиконовый мозг раславился бы! Так что нам еще предстоить выяснить, как же мозг так эффективно и экономично работает, и на основании тех же принципов создавать искусственный интеллект.
Твой мозг состоит из 100,000,000,000 клеток и 3,200,000 км проводов,
10х10 14
синапсов, и все это помещено в объеме 1.5 литров, весит около 1.5 кг, и использует энергию, равную потреблению всего одной лампочки!
Построение мозга в силиконе
Энергетические затраты передачи сигналов от одного нейрона к другому, возможно, явились основными факторами при эволюции мозга.
Около 50-80% потребления энергии в мозге приходится на потенциалы действия и синаптическую передачу. Остальное тратится на производство и поддержание. Это применимо как к мозгу пчелы, так и человека. Тем не менее, скорость проведения нервных импульсов
(несколько метров в секунду) значительно уступает скорости компьютеров. Такая скорость проведения в процессорах сделала бы их работу невозможной.
Биологический мозг сконструирован на паралелльных сетях, и большинство нейронов связаны с тысячей других. Мозг в полной мере использует свою 3D структуру для компактной упаковки всех функциональных соединений. В отличие от натурального, даже скромное количество связей на силиконовой пластине ограничено только 2D структурой и размерами пластины. Тем не менее, современные высокоскоростные технологии позволяют передавать несколько сигналов от различных силиконовых нейронов через один провод. Таким образом, инженеры силиконовых нейронов пытаются превзойти соединения биологических нейронов.
Для снижения энергетических затрат и увеличения скорости биоинженеры стали задумываться о применении аналогового, а не цифрового кодирования.
Так, Carver Mead, один из ‘гуру’ Силиконовой долины в
Калифорнии, придумал термин ‘нейроморфическая инженерия’ для разъяснения переноса нейробиологии в технологию. Вместо цифрового кодирования в 0 или 1, аналоговые сети кодируют изменением вольтажа, как и нейроны в подпороговом состоянии (Глава 3). Подсчеты при этом могут проводиться меньшим количеством действий, как это позволяет физика силиконовых приборов.
Аналоговые компьютеры легко производят примитивные подсчеты – прибавление, вычитание, экспоненты и интегралы, сложные процедуры для цифровых машин.
Когда нейроны – биологические или силиконовые – производят подсчеты или принимают решения, они посылают сигналы к другим клеткам. Так как пиковые сигналы энергетичеки дорого обходятся, в результате эффективного кодирования увеличивается количество информации, уменьшается излишнее количество потребления энергии. Кроме того, использование минимального количества активных нейронов также способствует сбережению энергии. Этот процесс носит название “редкого” кодирования и создает основы другого важного принципа, заложенного в основе строительства искусственных нейрональных сетей.
44

Силиконовая сетчатка
Одним из простых искусственых копий биологических структур явилась силиконовая сетчатка, улавливающая свет и автоматически приспосабливающаяся к условиям освещения. Она связана с двумя силиконовыми нейронами, которые, как нейроны в визуальной коре, улавливают информацию об углах и цветовых контрастах из изображения на ретине.
Нейроны такого прототипа называются
1   2   3   4   5   6   7   8   9

перейти в каталог файлов


связь с админом