Введение
Когнитивная нейронаука – это научная область, изучающая биологические процессы и аспекты, лежащие в основе познания, с особым акцентом на нейронные связи в мозге, вовлеченные в психические процессы. Она исследует вопросы о том, как когнитивные функции формируются или контролируются нейронными цепями мозга. Когнитивная нейронаука является разделом как нейронауки, так и психологии, пересекающимся с такими дисциплинами, как поведенческая нейронаука, когнитивная психология, физиологическая психология и аффективная нейронаука. Когнитивная нейронаука опирается на теории когнитивной науки в сочетании с данными нейробиологии и вычислительного моделирования. Также, когнитивные способности, обусловленные развитием мозга, изучаются и анализируются в рамках поддисциплины – нейронауки развития. Это позволяет проследить развитие мозга во времени, анализировать различия и выявлять возможные причины этих различий. Теоретические подходы включают в себя вычислительную нейронауку и когнитивную психологию.
Cognitive neuroscience is the scientific field that is concerned with the study of the biological processes and aspects that underlie cognition, with a specific focus on the neural connections in the brain which are involved in mental processes. It addresses the questions of how cognitive activities are affected or controlled by neural circuits in the brain. Cognitive neuroscience is a branch of both neuroscience and psychology, overlapping with disciplines such as behavioral neuroscience, cognitive psychology, physiological psychology and affective neuroscience. Cognitive neuroscience relies upon theories in cognitive science coupled with evidence from neurobiology, and computational modeling. Also, cognitive abilities based on brain development are studied and examined under the subfield of developmental cognitive neuroscience. This shows brain development over time, analyzing differences and concocting possible reasons for those differences. Theoretical approaches include computational neuroscience and cognitive psychology.
Историческое происхождение
Когнитивная нейробиология – это междисциплинарная область исследований, возникшая на стыке нейробиологии и психологии. В этих дисциплинах произошли несколько ключевых этапов, изменивших подход исследователей к своим работам и приведших к становлению этой области как самостоятельной. Хотя задача когнитивной нейробиологии состоит в описании нейронных механизмов, лежащих в основе психических процессов, исторически она развивалась путем изучения того, как конкретная область мозга поддерживает ту или иную когнитивную функцию. Однако ранние попытки разделить мозг на отдельные участки оказались проблематичными. Френология не смогла предоставить научное обоснование своим теориям и впоследствии была отвергнута. Концепция о том, что все области мозга участвуют во всех видах поведения, также была отвергнута благодаря развитию картирования мозга, которое началось с экспериментов Гитцига и Фрича и впоследствии получило развитие благодаря таким методам, как позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и функциональная магнитно-резонансная томография (ФМРТ). Теория гештальта, нейропсихология и когнитивная революция стали важными поворотными моментами в формировании когнитивной нейробиологии как области, объединив идеи и методы, позволившие исследователям установить более тесную связь между поведением и его нейронными субстратами.
Истоки философии
Философы всегда интересовались разумом: "идея о том, что объяснение явления включает в себя понимание механизма, ответственного за него, имеет глубокие корни в истории философии, начиная с атомистических теорий V века до н.э. и заканчивая их возрождением в XVII и XVIII веках в трудах Галилея, Декарта и Бойля. В частности, Декарт полагал, что машины, созданные человеком, могут служить моделями научного объяснения". Например, Аристотель считал, что мозг является системой охлаждения организма, а способность к мышлению локализована в сердце. Считается, что первым, кто придерживался иного мнения, был римский врач Гален во II веке н.э., который утверждал, что мозг является источником психической деятельности, хотя авторство этой идеи также приписывают Алькмаеону. Однако Гален верил, что личность и эмоции генерируются не мозгом, а другими органами. Андреас Везалий, анатом и врач, первым предположил, что мозг и нервная система являются центром разума и эмоций. Психология, важнейшая область, способствующая развитию когнитивной нейронауки, возникла из философских размышлений о разуме.
Френология
Одним из предшественников когнитивной нейробиологии была френология – псевдонаучный подход, утверждавший, что поведение можно определить по форме черепа. В начале XIX века Франц Иосиф Галль и И. Г. Сперцхайм полагали, что человеческий мозг разделен примерно на 35 различных отделов. В своей книге «Анатомия и физиология нервной системы в целом и мозга в частности» Галль утверждал, что большая выпуклость в одном из этих отделов означала, что эта область мозга используется человеком чаще. Эта теория привлекла значительное общественное внимание, что привело к публикации журналов по френологии и созданию френометров – приборов для измерения выпуклостей на голове человека. Несмотря на то, что френология оставалась популярным развлечением на ярмарках и карнавалах, она не получила широкого признания в научном сообществе. Главная критика френологии заключалась в том, что исследователи не могли эмпирически проверить свои теории, что было критически важно для дальнейшего понимания функций отделов мозга.
Общий вид поля
Согласно концепции интегральной работы мозга, все области мозга участвуют в каждой психической функции. Его подход критиковали, поскольку тесты могли оказаться недостаточно чувствительными, чтобы выявить избирательные дефициты, если бы они существовали. Это часто приводит к тому, что человек говорит бессвязными фразами, известными как "словесная окрошка".
Карта мозга
В 1870 году немецкие врачи Эдуард Хициг и Густав Фрич опубликовали результаты своих исследований поведения животных. Хициг и Фрич пропускали электрический ток через кору больших полушарий мозга собаки, что вызывало сокращение различных мышц в зависимости от того, какие области мозга подвергались электрической стимуляции. Это привело к предположению, что отдельные функции локализованы в конкретных областях мозга, а не распределены по всему мозгу, как это предполагает концепция целостного поля.
Доктрина нейронов
В начале XX века Сантьяго Рамон-и-Кахаль и Камилло Гольджи приступили к изучению структуры нейрона. Гольджи разработал метод серебряного окрашивания, позволявший полностью окрасить несколько клеток в определенной области, что привело его к выводу о непосредственном соединении нейронов друг с другом посредством единой цитоплазмы. Кахаль оспорил эту точку зрения, после окрашивания областей мозга с меньшим содержанием миелина, обнаружив, что нейроны являются отдельными клетками. Кахаль также установил, что клетки передают электрические сигналы по нейрону только в одном направлении. За эту работу, посвященную доктрине нейрона, Гольджи и Кахаль были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1906 году.
В середине-конце XX века
Несколько открытий в XX веке продолжали развивать эту область, таких как обнаружение колонн зрительного доминирования, регистрация активности отдельных нервных клеток у животных и изучение координации движений глаз и головы. Экспериментальная психология также сыграла важную роль в становлении когнитивной нейронауки. Особенно важными результатами стали демонстрация дискретных этапов обработки при выполнении определенных задач, исследование внимания и понимание того, что одних поведенческих данных недостаточно для объяснения психических процессов. В результате некоторые экспериментальные психологи начали изучать нейронные основы поведения. Уайлдер Пенфилд создал карты первичных сенсорных и моторных областей мозга, стимулируя кору головного мозга у пациентов во время хирургических операций. Работы Сперри и Газзаниги с пациентами с расколотым мозгом в 1950-х годах также внесли значительный вклад в развитие этой области.
Картография мозга
Новые технологии картирования мозга, в частности фМРТ и ПЭТ, позволили исследователям изучать экспериментальные стратегии когнитивной психологии, наблюдая за работой мозга. Хотя это часто рассматривается как новый метод (большинство технологий относительно недавнее), лежащий в его основе принцип восходит к 1878 году, когда кровоток впервые был связан с функцией мозга. В то время как Ноам Хомский и Ньюэлл и Саймон представляли свои исследования в области компьютерных наук, Ульрик Найссер прокомментировал многие из этих результатов в своей книге 1967 года «Когнитивная психология». Термин «психология» терял популярность в 1950-х и 1960-х годах, что привело к тому, что эта область стала называться «когнитивной наукой». Бихевиористы, такие как Миллер, начали сосредотачиваться на представлении языка, а не на общем поведении. Дэвид Марр заключил, что любой когнитивный процесс следует понимать на трех уровнях анализа: вычислительном, алгоритмическом/представительском и физическом.
Сочетание нейробиологии и когнитивной науки
До 1980-х годов взаимодействие между нейронаукой и когнитивной наукой было редким. Когнитивная нейронаука начала интегрировать недавно заложенный теоретический фундамент когнитивной науки, возникший между 1950-ми и 1960-ми годами, с подходами экспериментальной психологии, нейропсихологии и нейронауки. (Нейронаука не оформилась как единая дисциплина до 1971 года). В конце 1970-х годов нейробиолог Майкл С. Газзанига и когнитивный психолог Джордж А. Миллер, по некоторым данным, впервые предложили термин "когнитивная нейронаука". В конце XX века появились новые технологии, которые сейчас составляют основу методологии когнитивной нейронауки, включая ТМС (1985) и фМРТ (1991). Более ранние методы, используемые в когнитивной нейронауке, включают ЭЭГ (человеческая ЭЭГ, 1920) и МЭГ (1968). Иногда когнитивные нейробиологи используют другие методы нейровизуализации, такие как ПЭТ и СПЭКТ. Перспективной техникой в нейронауке является НИРС, которая использует поглощение света для расчета изменений в окси- и дезоксигемоглобине в коре головного мозга. У некоторых животных можно использовать регистрацию с отдельных нейронов. Другие методы включают микроневрографию, лицевую ЭМГ и отслеживание движения глаз. Интегративная нейронаука стремится консолидировать данные в базах данных и формировать унифицированные описательные модели из различных областей и масштабов: биологии, психологии, анатомии и клинической практики. Теория адаптивного резонанса (АР) – это теория когнитивной нейронауки, разработанная Гейл Карпентер и Стивеном Гроссбергом в конце 1970-х годов, посвященная аспектам обработки информации мозгом. Она описывает ряд моделей искусственных нейронных сетей, использующих методы обучения с учителем и без учителя, и решающих такие задачи, как распознавание образов и прогнозирование. В 2014 году Станислас Дехаен, Джакомо Риццолатти и Тревор Роббинс были удостоены Brain Prize "за новаторские исследования высших мозговых механизмов, лежащих в основе сложных человеческих функций, таких как грамотность, счет, мотивированное поведение и социальное познание, а также за их усилия по пониманию когнитивных и поведенческих расстройств". Бренда Милнер, Маркус Райхле и Джон О’Киф получили премию Кавли в области нейронауки "за открытие специализированных мозговых сетей, отвечающих за память и познание", а О’Киф разделил Нобелевскую премию по физиологии или медицине в том же году с Мэй Бритт Мозер и Эдвардом Мозером "за их открытия клеток, составляющих систему позиционирования в мозге". В 2017 году Вольфрам Шульц, Питер Дайан и Рэй Долан были удостоены Brain Prize "за их междисциплинарный анализ мозговых механизмов, связывающих обучение с вознаграждением, что имеет далеко идущие последствия для понимания человеческого поведения, включая расстройства принятия решений при таких состояниях, как азартные игры, наркомания, компульсивное поведение и шизофрения".
Последние тенденции
В последнее время фокус исследований сместился от локализации областей мозга, отвечающих за конкретные функции во взрослом мозге, с использованием одной технологии. Исследования стали развиваться в нескольких различных направлениях: изучение взаимодействий между разными областями мозга, применение множества технологий и подходов для понимания работы мозга, а также использование вычислительных методов. Прогресс в неинвазивной функциональной нейровизуализации и связанных с ней методах анализа данных также позволил использовать высоко реалистичные стимулы и задания, такие как художественные фильмы, демонстрирующие социальные взаимодействия, в исследованиях когнитивной нейронауки. Еще одним недавним трендом в когнитивной нейронауке является использование оптогенетики для изучения функций нейронных цепей и их поведенческих последствий.