Кіріспе
Нейроғылым – жүйке жүйесін (ми, жұлын және шеткі жүйке жүйесі), оның функцияларын және ауруларын ғылыми тұрғыдан зерттеу. Бұл физиология, анатомия, молекулалық биология, даму биологиясы, цитология, психология, физика, компьютерлік ғылым, химия, медицина, статистика және математикалық модельдеуді біріктіретін көп салалы ғылым. Оқу, есте сақтау, мінез-құлық, қабылдау және сананың биологиялық негіздерін түсінуді Эрик Кандель биологиялық ғылымдардың "үлкен міндеті" деп атады. Нейроғылымның саласы уақыт өте келе кеңейіп, жүйке жүйесін әртүрлі деңгейде зерттеуге қолданылатын әртүрлі әдістерді қамтиды. Нейроғылым мамандары қолданатын техникалар жеке нейрондардың молекулалық және жасушалық зерттеулерінен бастап, мидағы сезімталдық, қозғалыс және танымдық процестерін бейнелеуге дейін үлкен дамуға жетті.
Neuroscience is the scientific study of the nervous system (the brain, spinal cord, and peripheral nervous system), its functions and disorders. It is a multidisciplinary science that combines physiology, anatomy, molecular biology, developmental biology, cytology, psychology, physics, computer science, chemistry, medicine, statistics, and mathematical modeling to understand the fundamental and emergent properties of neurons, glia and neural circuits. The understanding of the biological basis of learning, memory, behavior, perception, and consciousness has been described by Eric Kandel as the "epic challenge" of the biological sciences. The scope of neuroscience has broadened over time to include different approaches used to study the nervous system at different scales. The techniques used by neuroscientists have expanded enormously, from molecular and cellular studies of individual neurons to imaging of sensory, motor and cognitive tasks in the brain.
Тарих
Жүйке жүйесінің ең алғашқы зерттеулері ежелгі Египетке қатысты. Трепанация – бас жарақаттарын немесе психикалық ауруларды емдеу, немесе бас сүйегінің қысымын азайту мақсатында бас сүйегіне тесік ашу немесе сызып тастау хирургиялық тәжірибесі. Б.з.д. 1700 жылға дейінгі қолжазбалар египеттіктердің мидың зақымдану белгілері туралы белгілі бір білімі болғанын көрсетеді. Бастапқыда мидың функциясына қатысты көзқарас оны бір түрлі "бас ішіндегі толтырғыш" деп қарастырған. Египетте, Орта патшалықтың соңынан бастап, миды мумиялауға дайындалу үшін үнемі алып тастайтын. Сол кезде жүрек интеллекттің орны деп саналған. Геродоттың айтуынша, мумиялаудың алғашқы қадамы – "қисық темір бөлігін алып, оның көмегімен миды мұрын тесігі арқылы шығарып, бір бөлігін алып тастап, ал қалғанын дәрімен шайып тазалау" болған. Жүрек – сананың көзі деген пікір грек дәрігері Гиппократтың заманына дейін күмән тудырмады. Ол мидың сезімге ғана қатысы жоқ деп сенді, себебі көптеген мамандандырылған органдар (мысалы, көз, құлақ, тіл) миға жақын орналасқан, сонымен қатар ол интеллекттің орны болды. Платон да мидың жанның рационалды бөлігінің орны деп болжаған. Аристотель болса, жүрек интеллекттің орталығы екеніне және жүректегі жылу мөлшерін ми реттейді деп сенген. Бұл көзқарас римдік дәрігер Галенге дейін, ол Гиппократтың ізбасары және римдік гладиаторлардың дәрігері болғанға дейін қабылданды. Гален өз науқастарының миы зақымданғанда ақыл-ойынан айырылып қалатынын байқады. Орта ғасырлардағы мұсылман әлемінде белсенділік көрсеткен Абулькасис, Аверро, Авиценна, Авензоар және Маймонид миға қатысты бірқатар медициналық проблемаларды сипаттады. Ренессанс Еуропасында Везалий (1514–1564), Рене Декарт (1596–1650), Томас Уиллис (1621–1675) және Ян Свамердам (1637–1680) нейроғылымға бірнеше үлес қосты. Луиджи Гальванидің 18 ғасырдың соңындағы пионерлік жұмысы бұлшықеттер мен нейрондардың электрлік қозуын зерттеуге негіз салды. 1843 жылы Эмиль дю Буа Реймон жүйке сигналының электрлік табиғатын көрсетті, оның жылдамдығын Герман фон Гельмгольц өлшеді, ал 1875 жылы Ричард Катон қоян мен маймылдардың ми жарты шарларында электрлік құбылыстарды тапты. Адольф Бек 1890 жылы қоян мен иттің миының спонтанды электрлік белсенділігін байқады. Миды зерттеу 1890 жылдардың соңында микроскопты ойлап табудан және Камилло Гольджидің бояу әдісін дамытудан кейін күрделіленді. Бұл процедурада жеке нейрондардың күрделі құрылымын көрсету үшін күміс хромат тұзы қолданылды. Оның әдісін Сантьяго Рамон и Кахал қолданды, нәтижесінде нейрондық доктрина қалыптасты, яғни мидың функционалдық бірлігі – нейрон деген гипотеза. Гольги мен Рамон и Кахал 1906 жылы мидағы нейрондарды кеңінен байқап, сипаттап, жіктегендері үшін физиология немесе медицина саласындағы Нобель сыйлығын бөлісті. Осы зерттеумен қатар 1815 жылы Жан-Пьер Флоренс тірі жануарлардың миында оқшауланған зақымдануларды жасап, олардың қозғалыс қабілетіне, сезімталдығына және мінез-құлқына әсерін байқады. 1836 жылы Марк Дакс және 1865 жылы Пол Броканың миы зақымдалған науқастармен жұмыс істеуі мидың белгілі бір аймақтары белгілі бір функцияларға жауапты екенін көрсетті. Ол кезде бұл зерттеулер Франц Йозеф Галлдың тілдің локализацияланғаны және белгілі бір психологиялық функциялар ми қабығының белгілі бір аймақтарында орналасқаны туралы теориясын растау ретінде қарастырылды. Функцияның локализациясы гипотезасын Джон Хьюлингс Джексон жүргізген эпилепсиямен ауыратын науқастардың байқауларымен растады, ол денеде ұстамалардың прогрессиясын бақылау арқылы моторлық қабықтың ұйымдастырылуын дұрыс анықтады. Карл Вернике тілді түсіну және оны шығаруда мидың белгілі бір құрылымдарының маманданғандығы туралы теорияны одан әрі дамытты. Нейросуреттеу техникаларын пайдалана отырып жүргізілген қазіргі зерттеулер әлі күнге дейін Бродманн миының цитоархитектоникалық картасын (жасуша құрылымын зерттеуге қатысты) және осы дәуірдегі анатомиялық анықтамаларды қолдана отырып, белгілі бір тапсырмаларды орындау кезінде қабықтың ерекше аймақтары белсендірілетінін көрсетуде. ХХ ғасырда нейроғылымдар басқа пәндердегі жүйке жүйесін зерттеудің орнына өзіндік академиялық пән ретінде таныла бастады. Эрик Кандель және оның әріптестері Дэвид Риох, Фрэнсис О. Шмит және Стивен Каффлерді бұл саланың қалыптасуында маңызды рөл атқарған деп атады. Риох 1950 жылдары Уолтер Рид армиясының зерттеу институтында клиникалық психиатриямен негізгі анатомиялық және физиологиялық зерттеулерді біріктірді. Сол кезеңде Шмит Массачусетс технологиялық институтының Биология факультетінде нейроғылымдар зерттеу бағдарламасын құрды, биологияны, химияны, физиканы және математиканы біріктірді. Алғашқы жеке нейроғылым факультеті (сол кезде Психобиология деп аталған) 1964 жылы Калифорния университетінде, Ирвинде Джеймс Л. Макгоумен құрылды. Одан кейін 1966 жылы Гарвард медицина мектебінде Стивен Каффлер құрған Нейробиология факультеті құрылды. Эпилепсияны емдеу процесінде Уайлдер Пенфилд мидағы әртүрлі функциялардың (моторлық, сезімталдық, жад, көру) орналасқан жерлерін анықтады. Ол өз тұжырымдамаларын 1950 жылғы "Адамның ми қабығы" атты кітабында жинақтады. Уайлдер Пенфилд және оның әріптестері Эдвин Болдрей және Теодор Расмуссен ми қабығының гомункулусының бастаушылары саналады. Нейрондарды және жүйке жүйесінің функциясын түсіну ХХ ғасырда күрделіленді және молекулалық деңгейге жетті. Мысалы, 1952 жылы Алан Ллойд Ходжкин және Эндрю Хаксли шаянның алып аксонындағы нейрондардағы электрлік сигналдардың берілуі үшін математикалық модель ұсынды, оларды "әрекет әлеуеттері" деп атады, және олар қалай басталады және таралады. 1961–1962 жылдары Ричард ФитцХью және Дж. Нагумо Ходжкин–Хакслиді қарапайымдастырды, бұл ФитцХью–Нагумо моделі деп аталады. 1962 жылы Бернард Кац нейрондар арасындағы кеңістіктегі нейротрансмиссияны модельдеді, бұл синапс деп белгілі. 1966 жылдан бастап Эрик Кандель және оның әріптестері Аплисияда оқу және жад сақтаумен байланысты нейрондардағы биохимиялық өзгерістерді зерттеді. 1981 жылы Кэтрин Моррис және Гарольд Лекар бұл модельдерді Моррис–Лекар моделінде біріктірді. Мұндай күшейе түскен сандық жұмыстар көптеген биологиялық нейрондық модельдерге және нейрондық есептеу модельдеріне әкелді. Жүйке жүйесіне қызығушылықтың артуына байланысты, ХХ ғасырда барлық нейроғалымдарға форум ұсыну үшін бірнеше көрнекті нейроғылым ұйымдары құрылды. Мысалы, 1961 жылы Халықаралық Ми зерттеу ұйымы, 1963 жылы Халықаралық Нейрохимия қоғамы, 1968 жылы Еуропалық Ми және Мінез-құлық қоғамы және 1969 жылы Нейроғылым қоғамы құрылды. Жақында нейроғылым зерттеулерінің нәтижелерін қолдану нейроэкономика, нейробілім, нейроэтика және нейроқұқық сияқты қолданбалы пәндердің пайда болуына әкелді. Уақыт өте келе миды зерттеу философиялық, тәжірибелік және теориялық кезеңдерден өтті, ал нейрондық имплантациялар мен миды модельдеу болашақта маңызды болады деп күтілуде.
Қазіргі заманғы нейробиологиялық ғылым
ХХ ғасырдың екінші жартысында жүйке жүйесін ғылыми зерттеу едәуір өсті, негізінен молекулалық биология, электрофизиология және есептеу нейробиологиясының жетістіктері арқасында. Бұл неврологтарға жүйке жүйесін барлық жағынан зерттеуге мүмкіндік берді: оның құрылымы, қалай жұмыс істейтіндігі, қалай дамып, қалай бұзылып, қалай өзгертуге болатыны. Мысалы, бір нейронның ішінде болатын күрделі процестерді егжей-тегжейлі түсіну мүмкін болды. Нейрондар – қарым-қатынас үшін арнайы жасалған жасушалар. Олар нейрондармен және басқа да жасушалармен синапстар деп аталатын арнайы түйісулер арқылы байланыса алады, онда бір жасушадан екінші жасушаға электрлік немесе электрохимиялық сигналдар беріледі. Көптеген нейрондар аксоплазманың аксон деп аталатын ұзын, жіңішке жіптерін шығарады, олар дененің алыс жерлеріне дейін созылуы мүмкін және электр сигналдарын тез тасымалдауға қабілетті, олардың аяқталу нүктелерінде басқа нейрондардың, бұлшық еттердің немесе бездердің қызметіне әсер етеді. Жүйке жүйесі – бір-бірімен нейрондық схемалар мен желілер арқылы байланысқан нейрондардың жиынтығынан пайда болады. Омыртқалылардың жүйке жүйесін екіге бөлуге болады: орталық жүйке жүйесі (ми және омыртқа миы ретінде анықталады) және шеткі жүйке жүйесі. Көптеген түрлерде – соның ішінде барлық омыртқалыларда – жүйке жүйесі ағзадағы ең күрделі мүшелер жүйесі болып табылады, ал күрделіліктің көп бөлігі мида орналасқан. Адамның миында шамамен жүз миллиард нейрон және жүз триллион синапс бар; ол мыңдаған ерекшеленетін субструктуралардан тұрады, олар бір-бірімен синапстық желілерде байланысқан, олардың күрделілігі тек қана ашыла бастады. Адам геномға жататын шамамен 20 000 геннің үштен бірі негізінен мида экспрессияланады. Адам миының жоғары пластикалық қабілетіне байланысты оның синапстарының құрылымы мен олардың нәтижесінде пайда болатын функциялары өмір бойы өзгеріп отырады. Жүйке жүйесінің динамикалық күрделілігін түсіну – зерттеудің үлкен қиындығы. Нейробиологтар жүйке жүйесінің барлық аспектілерін түсінгісі келеді, соның ішінде оның қалай жұмыс істейтінін, қалай дамып, қалай бұзылып, қалай өзгертілуі немесе жөнделуі мүмкін екенін. Сондықтан жүйке жүйесін талдау молекулалық және жасушалық деңгейден жүйелік және танымдық деңгейге дейін бірнеше деңгейде жүргізіледі. Ғылыми зерттеулердің негізгі бағытын құрайтын нақты тақырыптар уақыт өте келе, білім базасының үнемі кеңейіп, техникалық әдістердің жетілдірілуіне байланысты өзгеріп отырады. Технологияның жетілуі – прогрестің басты қозғаушы күші. Электрондық микроскопия, компьютерлік ғылым, электроника, функционалдық нейросуреттеу, генетика және геномика салаларындағы жетістіктер – бұл ілгерілеудің басты қозғаушы күші. Ми жасушаларын жіктеудегі жетістіктерге электрофизиологиялық жазу, бір жасушалық генетикалық секвенирлеу және жоғары сапалы микроскопия қол жеткізді, олар патчтік секвенирлеу деп аталатын бір әдіс желісіне біріктірілді, онда барлық үш әдіс бір мезгілде миниатюралық құралдарды қолданады. Бұл әдістің тиімділігі мен жинақталған деректердің көптігі зерттеушілерге жасуша түрлері туралы кейбір жалпы қорытынды жасауға мүмкіндік берді; мысалы, адам мен тышқанның миында негізінен бірдей жасуша түрлерінің әртүрлі нұсқалары бар.
Молекулалық және жасушалық нейробиологиялық ғылым
Молекулалық нейробиологияда қарастырылатын негізгі сұрақтарға нейрондардың молекулалық сигналдарды қалай білдіріп, оларға қалай жауап беретіні, сондай-ақ аксондардың күрделі байланыс үлгілерін қалай құратыны жатады. Бұл деңгейде молекулалық биология мен генетиканың құралдары нейрондардың қалай дамып, генетикалық өзгерістердің биологиялық функцияларға қалай әсер ететінін түсіну үшін қолданылады. Нейрондардың морфологиясы, молекулалық идентификациясы және физиологиялық сипаттамалары, олардың әртүрлі мінез-құлық түрлерімен қалай байланысты екендігі де зор қызығушылық тудырады. Ұяшықтық нейробиологияда қарастырылатын сұрақтарға нейрондардың физиологиялық және электрохимиялық сигналдарды қалай өңдейтінін анықтау механизмдері жатады. Бұл сұрақтарға нейриттер мен сомалардың сигналдарды қалай өңдейтіні, нейротрансмиттерлер мен электрлік сигналдардың нейронда ақпаратты өңдеу үшін қалай пайдаланылатыны кіреді. Нейриттер – бұл дендриттерден (басқа нейрондардан синаптық кіріс қабылдауға мамандандырылған) және аксондардан (әрекет потенциалы деп аталатын жүйке импульстарын өткізуге мамандандырылған) тұратын нейрон жасуша денесінің жұқа кеңейтімдері. Сома – нейрондардың жасуша денесі және ядроны қамтиды. Ұяшықтық нейробиологияның тағы бір маңызды саласы – жүйке жүйесінің дамуын зерттеу. Сұрақтарға жүйке жүйесінің құрылымын қалыптастыру және аймақтық бөлінуі, аксон және дендрит дамуы, трофикалық өзара әрекеттесулер, синапс пайда болуы, нейрондық шектеулі жасушалардағы фрактондардың ролі, нейрондар мен глианың дифференциациясы (нейрогенез және глиогенез) және нейрондық көші-қон жатады. Есептеулі нейрогенетикалық модельдеу – бұл гендерге және гендер арасындағы динамикалық өзара әрекеттесулерге қатысты, ми функцияларын модельдеу үшін динамикалық нейрондық модельдерді әзірлеумен айналысады, жасушалық деңгейде (CNGM жүйке жүйелерін модельдеу үшін де қолданылуы мүмкін).
Нейроциклдер мен жүйелер
Жүйелік нейробиологиялық зерттеулер дамушы адам миының құрылымдық және функционалдық архитектурасына, сондай-ақ мидың кең ауқымды желілерінің немесе ми ішіндегі функционалды байланысқан жүйелердің функцияларына бағытталған. Ми дамуымен қатар жүйелік нейробиология мидың құрылымы мен функциясы сезімдік ақпаратты өңдеуді қалай мүмкіндік береді немесе шектейді, мінез-құлықты ынталандыру үшін әлем туралы қалыптасқан ақыл-ой моделдерін қалай пайдаланады, сонымен қатар зерттейді. Жүйелік нейробиологиядағы сұрақтарға жүйкелік тізбектердің анатомиялық және физиологиялық тұрғыдан қалай қалыптасатыны және рефлекстер, көп сезімдік интеграция, қозғалыс үйлестіру, тәуліктік ырғақтар, эмоционалдық жауаптар, оқыту және есте сақтау сияқты функцияларды өндіру үшін қалай қолданылатыны жатады. Басқаша айтқанда, бұл зерттеу саласы мидағы байланыстардың қалай құрылатынын және өзгеретінін, сондай-ақ оның адамның сезіну қабілетіне, қозғалысына, назарына, тежелуге, шешім қабылдауға, ойлауға, есте сақтау қалыптастыруға, сыйақыға және эмоцияларды реттеуге тигізетін әсерін зерттейді. Бұл саланың ерекше қызығушылықтары: нейрондық тізбектердің құрылымы дағдыларды игеруге қалай әсер ететіні, мидың мамандандырылған аймақтарының қалай дамып, өзгеретіні (нейропластичность) және жеке дамушы милардың «сымдық схемаларын» құрайтын ми атластарын жасау. Нейроэтология мен нейропсихология сияқты туыс салалар нейрондық негіздердің жануарлар мен адамдардың мінез-құлқына қалай байланысты екендігін қарастырады. Нейроэндокринология және психонейроиммунология жүйке жүйесі мен эндокриндік және иммундық жүйелер арасындағы өзара әрекеттестікті зерттейді. Көптеген жетістіктерге қарамастан, нейрондық желілердің күрделі танымдық процестер мен мінез-құлықты қалай орындайтыны әлі толыққанды түсініксіз.
Когнитивтік және мінез-құлық нейробиологы
Когнитивтік нейробиологиялық ғылым нейрондық тізбектердің психологиялық функцияларды қалай қамтамасыз ететіні туралы сұрақтарды зерттейді. Нейросуретке түсіру (мысалы, fMRI, PET, SPECT), ЭЭГ, МЭГ, электрофизиология, оптогенетика және адам генетикалық талдауы сияқты қуатты жаңа өлшеу техникаларының пайда болуы, когнитивтік психологияның жетілдірілген эксперименталды әдістерімен үйлесімде, нейробиологтар мен психологтарға таным мен эмоцияның нақты нейрондық субстраттарға қалай бейімделуі сияқты абстрактілі сұрақтарды қарастыруға мүмкіндік береді. Көптеген зерттеулер әлі де танымдық құбылыстардың нейробиологиялық негізін іздейтін редукционистік көзқарас ұстанатын болса да, соңғы зерттеулер нейробиологиялық тұжырымдар мен концептуалды зерттеулер арасындағы өзара әрекеттесуді көрсетеді, екі перспективаны да қолданады және біріктіреді. Мысалы, эмпатияға қатысты нейробиологиялық зерттеулер философия, психология және психопатология салаларын қамтитын маңызды пәраралық пікірталас тудырды. Сонымен қатар, мидың әртүрлі аймақтарымен байланысты көптеген есте сақтау жүйелерін нейробиологиялық тұрғыдан анықтау, есте сақтаудың өткенді әдепкі түрде қайталау идеясына күдік келтіріп, есте сақтауды генеративтік, құрылымдық және динамикалық процесс ретінде қарастыруға қолдау көрсетті. Нейробиология сонымен қатар әлеуметтік және мінез-құлық ғылымдарымен, сондай-ақ жаңадан пайда болатын пәраралық салалармен де байланысты. Мұндай байланыстардың мысалдары: нейроэкономика, шешім қабылдау теориясы, әлеуметтік нейробиология және нейромаркетинг, мидың ортамен өзара әрекеттесуі туралы күрделі сұрақтарды шешу үшін қолданылады. Мысалы, тұтынушылардың реакциясын зерттеу үшін ЭЭГ энергия тиімділігі туралы әңгімелерге батып кетумен байланысты нейрондық корреляттарды зерттеу үшін пайдаланылады.
Есептеу нейробиологы
Есептеу нейробиологиясындағы сұрақтар мидың дамуы, құрылымы және танымдық функциялары сияқты дәстүрлі талдаудың кең ауқымын қамти алады. Бұл саладағы зерттеулер математикалық модельдерді, теориялық талдауды және компьютерлік симуляцияны биологиялық тұрғыдан ықтимал нейрондар мен жүйке жүйелерін сипаттау және тексеру үшін пайдаланады. Мысалы, биологиялық нейрон модельдері – бұл тік нейрондардың математикалық сипаттамалары, олар жеке нейрондардың мінез-құлқын да, нейрондық желілердің динамикасын да сипаттауға қолданылады. Есептеу нейробиологиясы көбінесе теориялық нейробиология деп аталады. Медицинадағы нанобөлшектер неврологиялық ауруларды емдеуде әмбебап мүмкіндіктерге ие, қан-мұғза кедергісі арқылы дәрі-дәрмектерді тасымалдауда үміттендірерлік нәтижелер көрсетіп келеді. Нанобөлшектерді құрамына эпилепсияға қарсы дәрілерді енгізу олардың медициналық тиімділігін қан ағынындағы биожетімділігін арттыру арқылы күшейтеді, сондай-ақ дәрінің босатылу уақыты мен концентрациясын бақылауға мүмкіндік береді. Алайда, дәрілік сынақтар үшін наномедицинаны өндіру экономикалық тұрғыдан шығынды, олардың енгізілуіне кедергі келтіреді. Нанонейробиологиядағы есептеу модельдері неврологиялық бұзылуларда нанотехнологияға негізделген дәрілердің тиімділігін зерттеудің балама жолдарын ұсынады, сонымен қатар потенциалдық жанама әсерлерді және даму шығындарын азайтады. Наноматериалдардың жұмыс істейтін ұзындық деңгейлеріндегі белгісіздіктерге байланысты, олардың мінез-құлқын in vivo зерттеулерінен бұрын болжау қиын. Нейрондарды есептеулік модельдеудегі жетістіктер микросекундтық уақыт шкалаларында жұмыс істейтін ацетилхолин рецепторларына негізделген синапстарды дәл болжайтын стереохимиялық модельдердің дамуына әкелді. Геометрияны, реактивтілікті және тұрақтылықты оңтайландыру үшін өте симметриялық құрылымды ультражұқа наноматериалдарды жобалау үшін қолданылады. Мида жүретін электрохимиялық процестер кейбір наноматериалдардың мінез-құлқына әсер ететін электр өрісін тудыруы мүмкін. Молекулалық динамикалық симуляциялардың икемділігі дәрігерлерге емдеуді жекелендіруге мүмкіндік береді. Трансляциялық наноинформатикадан алынған нанобөлшектерге қатысты деректер неврологиялық пациенттерге тән деректерді емдеуге жауаптылықты болжау үшін байланыстырады. Неврология орталық және шеткі жүйке жүйесінің ауруларымен, мысалы, амиотрофиялық бүйірлік склероз (АБС) және инсультпен, сондай-ақ олардың медициналық емдеуімен айналысады. Психиатрия эмоциялық, мінез-құлық, танымдық және қабылдау бұзылыстарына назар аударады. Анестезиология ауруды қабылдау және сананың фармакологиялық өзгертілуіне бағытталған. Нейропатология орталық және шеткі жүйке жүйесі мен бұлшықет ауруларының жіктелуімен және негізгі патогендік механизмдерімен айналысады, морфологиялық, микроскопиялық және химиялық байқалатын өзгерістерге ерекше назар аударады. Нейрохирургия және психохирургия негізінен орталық және шеткі жүйке жүйесінің ауруларын хирургиялық жолмен емдеумен айналысады.
Трансляциялық зерттеулер
Соңғы уақытта әртүрлі мамандықтар арасындағы шекаралар нашарлап, бұл салалардың барлығына нейроғылымдағы негізгі зерттеулер ықпал етеді. Мысалы, миді бейнелеу психикалық аурулар туралы объективті биологиялық түсінік береді, бұл жылдам диагноз қоюға, дәл болжам жасауға және науқастың жағдайының уақыт өте келегі прогресін жақсартуға мүмкіндік береді. Интегративтік нейроғылым – жүйке жүйесінің тұтас моделін жасау үшін әртүрлі зерттеу деңгейлерінен алынған модельдер мен ақпаратты біріктіруге бағытталған күш-жігер. Мысалы, миді бейнелеу, физиологиялық сандық модельдермен және негізгі механизмдер теориясымен үйлесімде, психикалық аурулардың себептерін түсінуге көмектеседі. Аудармалық зерттеулердің тағы бір маңызды саласы – ми-компьютер интерфейстері, яғни мимен байланыс орнатып, оған әсер ете алатын құрылғылар. Ми-компьютер интерфейстері (МКИ) қазіргі таңда жүйке жүйелерін қалпына келтіру және белгілі бір когнитивтік функцияларды жақсарту әлеуеті тұрғысынан зерттелуде. Дегенмен, оларды қабылдамас бұрын бірқатар этикалық мәселелерді шешу қажет.
Негізгі салалар
Қазіргі заманғы нейробиологиялық білім беру және ғылыми-зерттеу қызметін мына негізгі салаларға жіктеуге болады, олар зерттеу нысанының тақырыбы мен масштабына, сондай-ақ ерекше тәжірибелік немесе оқу бағдарламасының тәсілдеріне негізделген. Дегенмен, жеке нейробиологтар көбінесе бірнеше салаға қатысты мәселелермен айналысады. + Нейробиологияның негізгі салаларының тізімі Саласы Сипаттамасы Әсерлі нейробиология Әсерлі нейробиология – эмоцияға қатысты нейрондық механизмдерді зерттейтін ғылым, әдетте жануарлар моделінде эксперименттер жүргізу арқылы. Мінез-құлық нейробиологиясы Мінез-құлық нейробиологиясы (сондай-ақ биологиялық психология, физиологиялық психология, биопсихология немесе психобиология деп те аталады) – биология принциптерін адам және адам емес жануарлардың мінез-құлығының генетикалық, физиологиялық және даму механизмдерін зерттеуге қолдану. Жасушалық нейробиология Жасушалық нейробиология – морфологиялық және физиологиялық қасиеттері қоса алғанда, жасуша деңгейіндегі нейрондарды зерттейтін ғылым. Клиникалық нейробиология Клиникалық нейробиология – жүйке жүйесінің аурулары мен бұзылыстарының биологиялық механизмдерін ғылыми тұрғыдан зерттеу. Когнитивтік нейробиология Когнитивтік нейробиология – таным процестерінің биологиялық механизмдерін зерттейтін ғылым. Мәдени нейробиология Мәдени нейробиология – мәдени құндылықтар, тәжірибелер және сенімдердің сана, ми және гендерге қалай әсер ететінін және олардың өзара байланысын зерттейді. Даму нейробиологиясы Даму нейробиологиясы – жүйке жүйесін қалыптастыратын, өзгертетін және қайта қалыптастыратын процестерді зерттейді және осы процестердің жасушалық механизмдерін анықтауға тырысады. Эволюциялық нейробиология Эволюциялық нейробиология – жүйке жүйесінің эволюциясын зерттейді. Молекулалық нейробиология Молекулалық нейробиология – жүйке жүйесін молекулалық биология, молекулалық генетика, белок химиясы және осыған байланысты әдістер арқылы зерттейді. Нанонейробиология Нанонейробиология – нанотехнология мен нейробиологияны біріктіретін салааралық ғылым. Нейроинженерия Нейроинженерия – нейрондық жүйелермен өзара әрекеттесу, оларды түсіну, жөндеу, ауыстыру немесе жақсарту үшін инженерлік тәсілдерді қолданады. Нейроанатомия Нейроанатомия – жүйке жүйесінің анатомиясын зерттейтін ғылым. Нейрохимия Нейрохимия – нейрохимиялық заттардың өзара әрекеттесуін және нейрондардың жұмысына олардың тигізетін әсерін зерттейді. Нейроэтология Нейроэтология – адам емес жануарлардың мінез-құлығының нейрондық негіздерін зерттейді. Нейрогастрономия Нейрогастрономия – дәмді және оның сезімге, танымға және есте сақтауға тигізетін әсерін зерттейді. Нейрогенетика Нейрогенетика – жүйке жүйесінің дамуы мен жұмысының генетикалық негізін зерттейді. Нейробейнелеу Нейробейнелеу – мидың құрылымын және жұмысын тікелей немесе жанама түрде бейнелеу үшін әртүрлі техникаларды қолдануды қамтиды. Нейроиммунология Нейроиммунология – жүйке және иммундық жүйелердің өзара әрекеттесуін зерттейді. Нейроинформатика Нейроинформатика – биоинформатиканың бір саласы, нейробиологиялық деректерді ұйымдастыру және есептеу модельдері мен талдау құралдарын қолданумен айналысады. Нейролингвистика Нейролингвистика – адам миындағы тілді түсіну, өндіру және үйренуді бақылайтын нейрондық механизмдерді зерттейді. Нейрофизиология Нейрофизиология – жүйке жүйесінің құрылымын және жұмысын зерттейді, әдетте физиологиялық әдістерді қолданады, олар электродтармен немесе ионға немесе кернеуге сезімтал бояулармен немесе жарыққа сезімтал каналдармен өлшеу және стимуляцияны қамтиды. Нейропсихология Нейропсихология – психология және нейробиологияның арасындағы пән, негізгі және қолданбалы ғылым салаларындағы қызметтерге қатысады. Психологияда ол биопсихологиямен, клиникалық психологиямен, когнитивтік психологиямен және даму психологиясымен тығыз байланысты. Нейробиологияда ол когнитивтік, мінез-құлық, әлеуметтік және әсерлі нейробиология салаларымен тығыз байланысты. Қолданбалы және медициналық салаларда ол неврология және психиатриямен байланысты. Нейропсихофармакология Нейропсихофармакология – психофармакология және негізгі нейробиологиямен байланысты пәнаралық ғылым, есірткілердің мінез-құлыққа тигізетін әсерінің нейрондық механизмдерін зерттейді. Палеоневробиология Палеоневробиология – мидың эволюциясын, әсіресе адам миын зерттеу үшін палеонтология және археологияда қолданылатын әдістерді қолданатын сала. Әлеуметтік нейробиология Әлеуметтік нейробиология – биологиялық жүйелердің әлеуметтік процестер мен мінез-құлықты қалай іске асыратынын түсінуге және әлеуметтік процестер мен мінез-құлық теорияларын жетілдіру үшін биологиялық тұжырымдамалар мен әдістерді қолдануға арналған салааралық ғылым. Жүйелік нейробиология Жүйелік нейробиология – нейрондық тізбектер мен жүйелердің жұмысын зерттейді.
Нейробиологиялық ұйымдар
Нейробиологияның ең ірі кәсіби ұйымы – Нейробиология қоғамы (SFN), штаб-пәтері АҚШ-та орналасқан, бірақ көптеген мүшелері басқа елдерден. 1969 жылы құрылғаннан бері SFN тұрақты түрде өсіп келеді: 2010 жылғы мәліметтер бойынша 83 елден 40 290 мүше тіркелді. Жыл сайын Американың әртүрлі қалаларында өткізілетін жылдық жиындарға зерттеушілер, докторанттар, аспиранттар мен студенттер, сондай-ақ білім беру мекемелері, қаржыландыру агенттіктері, баспагерлер және зерттеулерде қолданылатын өнімдерді жеткізіп тұратын жүздеген компаниялар қатысады. Нейробиологияға арналған басқа да маңызды ұйымдар: Халықаралық Ми зерттеу ұйымы (IBRO), ол жыл сайын әлемнің әртүрлі аймақтарындағы елдерде жиындар өткізеді, және Еуропалық Нейробиологиялық Қоғамдар Федерациясы (FENS), ол әр екі жылда бір рет Еуропаның әртүрлі қалаларында жиын өткізеді. FENS құрамына 32 ұлттық деңгейдегі ұйым кіреді, оның ішінде Британдық Нейробиологиялық Қауымдастық, Неміс Нейробиологиялық Қоғамы (Neurowissenschaftliche Gesellschaft) және Француздық Нейробиологиялық Қоғамы (Société des Neurosciences). Нейробиологиядағы алғашқы Ұлттық Құрмет Қоғамы Nu Rho Psi 2006 жылы құрылды. Бакалавриат, магистратура және жас ғалымдарды қолдайтын Simply Neuroscience және Project Encephalon сияқты көптеген жастар нейробиологиялық қоғамдары да бар. 2013 жылы АҚШ-та BRAIN бастамасы жарияланды. 2017 жылы Халықаралық Ми бастамасы құрылды, қазіргі уақытта төрт континентті қамтитын жетіден астам ұлттық деңгейдегі ми зерттеу бастамаларын (АҚШ, Еуропа, Аллен институты, Жапония, Қытай, Австралия, Канада, Корея және Израиль) біріктіреді.
Халыққа білім беру және ақпараттандыру
Нейробиологтар зертханалық зерттеулер жүргізумен қатар, жалпы халық пен мемлекеттік қызметкерлердің арасында жүйке жүйесі туралы білімді және хабардарлықты арттыруға да белсенділік танытады. Мұндай іс-шараларды жеке нейробиологтар да, ірі ұйымдар да жүзеге асырады. Мысалы, жеке нейробиологтар жас студенттер арасында нейробиологиялық білім беруді дамыту үшін Халықаралық Ми Олимпиадасын (International Brain Bee) ұйымдастырды, ол бүкіл әлем бойынша жоғары және орта мектеп оқушылары үшін академиялық бәсеке болып табылады. АҚШ-та Нейробиологиялық ғылымдар қоғамы (Society for Neuroscience) сияқты ірі ұйымдар «Ми туралы фактілер» (Brain Facts) атты нұсқаулықты жасап, мемлекеттік мектеп мұғалімдерімен бірлесіп, 1-12 сынып мұғалімдері мен оқушылары үшін Нейробиологияның негізгі түсініктерін (Neuroscience Core Concepts) әзірледі, сондай-ақ, Дэнна қорымен (Dana Foundation) бірлесіп «Ми туралы хабардарлық апталығы» (Brain Awareness Week) атты науқанды ұйымдастырып, ми зерттеулерінің жетістіктері мен пайдалары туралы халықтың хабардарлығын арттырды. Канадада CIHR Canadian National Brain Bee жыл сайын Макмастер университетінде өткізіледі. 1992 жылы нейробиологиялық білім берушілер Нейробиологиялық ғылымдар қоғамының (FUN) басшылығымен үздік тәжірибелермен бөлісу және студенттерге конференцияларға саяхат жасауға көмектесу үшін Нейробиологиялық ғылымдар факультетін (Faculty for Undergraduate Neuroscience) құрды. Сондай-ақ, нейробиологтар басқа білім беру сарапшыларымен бірлесіп, студенттердің оқуын оңтайландыру үшін білім беру әдістерін зерттеп, жетілдіруде, бұл жаңағынан дамып келе жатқан білім беру нейробиологиясы (educational neuroscience) саласы болып табылады. АҚШ-тағы Ұлттық денсаулық сақтау институты (NIH) және Ұлттық ғылым қоры (NSF) сияқты федералдық агенттіктер нейробиологиялық түсініктерді оқыту және үйренудегі үздік тәжірибелерге қатысты зерттеулерді қаржыландырады.
Нейроморфты компьютерлік чиптер
Нейроморфтық инженерия – пайдалы есептеулер үшін нейрондардың функционалдық физикалық модельдерін құрумен айналысатын нейроғылымның саласы. Нейроморфтық компьютерлердің пайда болатын есептеу қасиеттері дәстүрлі компьютерлерден түбегейлі өзгеше, себебі олар күрделі жүйе болып табылады және есептеу компоненттері орталық процессорсыз өзара байланысты. Мұндай компьютерлердің бір мысалы – SpiNNaker суперкомпьютері. Сенсорларды нейроморфтық технологиямен «ақылды» етуге болады. Бұған Германиядағы Гейдельберг университетінде орналасқан Event Camera's BrainScaleS (миға ұқсас көп масштабты есептеулерді нейроморфтық гибридтік жүйелерде жүзеге асыру) гибридтік аналогтық нейроморфтық суперкомпьютері мысал болады. Ол Адам миы жобасының нейроморфтық есептеу платформасының бір бөлігі ретінде әзірленді және цифрлық технологияға негізделген SpiNNaker суперкомпьютеріне толықтыру болып табылады. BrainScaleS-те қолданылатын архитектура биологиялық нейрондар мен олардың физикалық деңгейдегі байланыстарын имитациялайды; сонымен қатар, компоненттер кремнийден жасалғандықтан, бұл модельдік нейрондар өз биологиялық әріптестерінен шамамен 864 есе жылдам жұмыс істейді (машиналық симуляцияда 24 сағаттың нақты уақыты 100 секундқа тең). Нейроморфтық микрочип технологиясындағы соңғы жетістіктер ғалымдар тобын аурулар кезінде нақты нейрондарды алмастыратын жасанды нейрон жасауға алып келді.
Нейробиологиялық ғылымға байланысты Нобель сыйлықтары
Жыл Сыйлық саласы Сурет Лауреат Өмір бойы Ел Негізгі негіздеме Ref. 1904Физиология Иван Петрович Павлов 1849–1936 Ресей империясы "Асқазан физиологиясы саласындағы еңбектері үшін, бұл білімді маңызды аспектілер бойынша өзгертіп, кеңейтті" 1906Физиология Камилло Гольджи 1843–1926 Италия Корольдігі "Жүйке жүйесінің құрылымын зерттегені үшін" Сантьяго Рамон-и-Кахаль 1852–1934 Испания Республикасы 1911Физиология Алвар Гуллстранд 1862–1930 Швеция "Көздің диоптриялық оптикасы бойынша жұмысы үшін" 1914Физиология Роберт Барани 1876–1936 Австро-Венгрия "Вестибуляр аппаратының физиологиясы мен патологиясы саласындағы еңбектері үшін" 1932Физиология Чарльз Скотт Шерингтон 1857–1952 Ұлыбритания "Нейрондардың функциялары туралы жаңалықтары үшін" Эдгар Дуглас Адриан 1889–1977 Ұлыбритания 1936Физиология Генри Халлетт Дейл 1875–1968 Ұлыбритания "Жүйке импульстарын химиялық түрде тасымалдау туралы жаңалықтары үшін" Отто Леви 1873–1961 Австрия Германия 1938Физиология Корнель Жан Франсуа Эйманс 1892–1968 Бельгия "Тыныс алуды реттеуде синус және аорта механизмдерінің ролін ашқаны үшін" 1944Физиология Джозеф Эрлангер 1874–1965 АҚШ "Жеке жүйке талшаларының жоғары дифференциалды функцияларын ашқаны үшін" Герберт Спенсер Гассер 1888–1963 АҚШ 1949Физиология Вальтер Рудольф Гесс 1881–1973 Швейцария "Аралық мидың функционалды ұйымдасқандығын ашқаны үшін, ол ішкі органдардың қызметін үйлестіреді" Антонио Каэтано Эгас Мониз 1874–1955 Португалия "Психозда кейбір жағдайларда лейкотомияның емдік құндылығын ашқаны үшін" 1957Физиология Даниэль Бове 1907–1992 Италия "Денедегі белгілі заттардың әрекетін тежеуге қабілетті синтетикалық қосылыстарды ашқаны үшін, әсіресе олардың қан тамырлары жүйесі мен қаңқа бұлшықтарына әсері" 1961Физиология Георг фон Бекеши 1899–1972 АҚШ "Қоңырқайдың ішіндегі стимуляцияның физикалық механизмін ашқаны үшін" 1963Физиология Джон Карю Экклс 1903–1997 Австралия "Жүйке жасушасы мембранасының перифериялық және орталық бөлімдеріндегі қозу және тежеуге қатысты иондық механизмдерді ашқаны үшін" Алан Ллойд Ходжкин 1914–1998 Ұлыбритания Эндрю Филдинг Хаксли 1917–2012 Ұлыбритания 1967Физиология Рагнар Гранит 1900–1991 Финляндия Швеция "Көздің алғашқы физиологиялық және химиялық көру процестерін ашқаны үшін" Халдан Кеффер Хартлайн 1903–1983 АҚШ Джордж Уолд 1906–1997 АҚШ 1970Физиология Юлиус Аксельрод 1912–2004 АҚШ "Жүйке ұштарындағы гуморальды тасымалдаушыларды және олардың сақталу, шығарылу және деактивация механизмдерін ашқаны үшін" Конрад Лоренц 1903–1989 Австрия Николаас Тинберген 1907–1988 Нидерланды 1977Физиология Роджер Гильмен 1924–2024 Франция "Мидың пептид гормондарының өндірісін ашқаны үшін" Эндрю В. Шалли 1926– Польша 1981Физиология Роджер У. Сперри 1913–1994 АҚШ "Ми гемисфераларының функционалдық мамандануын ашқаны үшін" Рита Леви-Монтальчини 1909–2012 Италия 1997Физиология Стэнли Б. Прузинер 1942– АҚШ "Приондарды ашқаны үшін – инфекцияның жаңа биологиялық принципі" 1997Химия Йенс С. Ску 1918–2018 Дания "Иондарды тасымалдайтын ферменттің – Na+, K+ АТФазаның алғашқы ашылуы үшін" 2000Физиология Арвид Карлссон 1923–2018 Швеция "Жүйке жүйесіндегі сигнал трансляциясы туралы жаңалықтары үшін" Пол Гринггард 1925–2019 АҚШ Эрик Р. Кандель 1929– АҚШ 2003Химия Родерик Маккиннон 1956– АҚШ "Жасуша мембраналарындағы каналдарды ашқаны үшін [ ] иондық каналдардың құрылымдық және механизмдік зерттеулері үшін" 2004Физиология Ричард Аксель 1946– АҚШ "Иіс рецепторларын және иіс жүйесінің ұйымдасқандығын ашқаны үшін" Линда Б. Бак 1947– АҚШ 2012Химия Роберт Лефковиц 1943– АҚШ "G белоктарымен байланысқан рецепторларды зерттеуі үшін" Брайан Кобилка 1955– АҚШ 2014Физиология Джон О’Киф 1939– АҚШ Ұлыбритания "Мидегі позициялық жүйе құрайтын орын және торлы жасушаларды ашқаны үшін" Мэй Бритт Мозер 1963– Норвегия Эдвард И. Мозер 1962– Норвегия 2017Физиология Джеффри С. Холл 1939– АҚШ "Циркадтық ритмді бақылайтын молекулалық механизмдерді ашқаны үшін" Майкл Робаш 1944– АҚШ Майкл В. Янг 1949– АҚШ 2021Физиология Дэвид Джулиус 1955– АҚШ "Температура мен сезінуге жауап беретін рецепторларды ашқаны үшін" Ардем Патапоутиан 1967– Ливан