Введение
Научное изучение нервной системы
Нейробиология – это научное изучение нервной системы (мозга, спинного мозга и периферической нервной системы), ее функций и нарушений. Это междисциплинарная наука, объединяющая физиологию, анатомию, молекулярную биологию, биологию развития, цитологию, психологию, физику, компьютерные науки, химию, медицину, статистику и математическое моделирование для понимания фундаментальных и эмерджентных свойств нейронов, глии и нейронных цепей. Понимание биологических основ обучения, памяти, поведения, восприятия и сознания Эрик Кандель назвал "грандиозным вызовом" биологических наук. Область исследований нейробиологии со временем расширилась, включив в себя различные подходы к изучению нервной системы в разных масштабах. Методы, используемые нейробиологами, значительно расширились – от молекулярных и клеточных исследований отдельных нейронов до визуализации сенсорных, моторных и когнитивных процессов в мозге.
История
Самые ранние исследования нервной системы относятся к Древнему Египту. Трепанация, хирургическая практика сверления или выскабливания отверстия в черепе с целью лечения травм головы или психических расстройств, или облегчения внутричерепного давления, впервые была зафиксирована в неолитический период. Манускрипты, датируемые 1700 годом до нашей эры, указывают на то, что египтяне обладали некоторыми знаниями о симптомах повреждения мозга. Ранние представления о функции мозга рассматривали его как своего рода "наполнение черепа". В Египте, начиная с конца Среднего царства, мозг регулярно удалялся при подготовке к мумификации. В то время считалось, что сердце является средоточием разума. По словам Геродота, первым шагом при мумификации было "взять изогнутый кусок железа и с его помощью извлечь мозг через ноздри, таким образом избавившись от части, а остальную часть черепа очистить с помощью лекарств". Представление о том, что сердце является источником сознания, не подвергалось сомнению до времени греческого врача Гиппократа. Он полагал, что мозг не только связан с ощущениями – поскольку большинство специализированных органов (например, глаза, уши, язык) расположены в голове рядом с мозгом – но также является средоточием разума. Платон также предполагал, что мозг является местом расположения рациональной части души. Аристотель, однако, считал, что сердце является центром разума и что мозг регулирует количество тепла, исходящего от сердца. Эта точка зрения оставалась общепринятой до римского врача Галена, последователя Гиппократа и врача римских гладиаторов, который заметил, что его пациенты теряли умственные способности при повреждении мозга. Абулькасис, Аверроэс, Авиценна, Авензоар и Маймонид, работавшие в средневековом мусульманском мире, описали ряд медицинских проблем, связанных с мозгом. В Европе эпохи Возрождения Везалий (1514–1564), Рене Декарт (1596–1650), Томас Уиллис (1621–1675) и Ян Свамердам (1637–1680) также внесли значительный вклад в нейробиологию. Пионерская работа Луиджи Гальвани в конце 1700-х годов заложила основу для изучения электрической возбудимости мышц и нейронов. В 1843 году Эмиль дю Буа-Реймон продемонстрировал электрическую природу нервного сигнала, скорость которого Герман фон Гельмгольц приступил к измерению, а в 1875 году Ричард Кэтон обнаружил электрические явления в полушариях мозга кроликов и обезьян. Адольф Бек опубликовал в 1890 году аналогичные наблюдения о спонтанной электрической активности мозга кроликов и собак. Исследования мозга стали более сложными после изобретения микроскопа и разработки метода окрашивания Камилло Гольджи в конце 1890-х годов. В этом методе использовалась соль хромата серебра для выявления сложной структуры отдельных нейронов. Его технику использовал Сантьяго Рамон-и-Кахаль, что привело к формированию доктрины нейрона – гипотезы о том, что функциональной единицей мозга является нейрон. Гольджи и Рамон-и-Кахаль разделили Нобелевскую премию по физиологии или медицине в 1906 году за их обширные наблюдения, описания и классификации нейронов по всему мозгу. Параллельно с этими исследованиями в 1815 году Жан-Пьер Флоренс вызывал локализованные повреждения мозга у живых животных, чтобы наблюдать их влияние на двигательную активность, чувствительность и поведение. Работы с пациентами с повреждением мозга, проведенные Марком Даксом в 1836 году и Полем Брока в 1865 году, показали, что определенные области мозга отвечают за определенные функции. В то время эти результаты рассматривались как подтверждение теории Франца Иосифа Галля о том, что язык локализован и что определенные психологические функции локализованы в определенных областях коры головного мозга. Гипотеза о локализации функций была подтверждена наблюдениями за эпилептическими пациентами, проведенными Джоном Хьюлингсом Джексоном, который правильно определил организацию моторной коры, наблюдая за распространением приступов по телу. Карл Вернике развил теорию специализации определенных структур мозга в понимании и воспроизведении языка. Современные исследования с использованием методов нейровизуализации до сих пор используют цитоархитектоническую карту коры головного мозга Бродмана (относящуюся к изучению структуры клеток) и анатомические определения той эпохи, продолжая демонстрировать, что различные области коры активируются при выполнении конкретных задач. В течение 20-го века нейробиология стала признаваться как самостоятельная академическая дисциплина, а не как изучение нервной системы в рамках других дисциплин. Эрик Кандель и его коллеги ссылаются на Дэвида Риоха, Фрэнсиса О. Шмитта и Стивена Куффлера как на тех, кто сыграл решающую роль в становлении этой области. Риох инициировал интеграцию фундаментальных анатомических и физиологических исследований с клинической психиатрией в Армейском научно-исследовательском институте Уолтера Рида, начиная с 1950-х годов. В тот же период Шмитт создал исследовательскую программу по нейробиологии в рамках биологического факультета Массачусетского технологического института, объединив биологию, химию, физику и математику. Первый самостоятельный факультет нейробиологии (тогда называвшийся психобиологией) был основан в 1964 году в Калифорнийском университете в Ирвайне Джеймсом Л. Макго. За ним последовал факультет нейробиологии Гарвардской медицинской школы, основанный в 1966 году Стивеном Куффлером. В процессе лечения эпилепсии Уайлдер Пенфилд создал карты расположения различных функций (двигательной, сенсорной, памяти, зрения) в мозге. Он обобщил свои выводы в книге 1950 года под названием «Кора головного мозга человека». Уайлдер Пенфилд и его соавторы Эдвин Болдри и Теодор Расмуссен считаются создателями кортикального гомункулуса. Понимание нейронов и функций нервной системы стало все более точным и молекулярным в течение 20-го века. Например, в 1952 году Алан Ллойд Ходжкин и Эндрю Хаксли представили математическую модель передачи электрических сигналов в нейронах гигантского аксона кальмара, которые они назвали «потенциалами действия», и то, как они инициируются и распространяются, известную как модель Ходжкина-Хаксли. В 1961–1962 годах Ричард ФитцХью и Дж. Нагумо упростили модель Ходжкина-Хаксли, что получило название модели ФитцХью-Нагумо. В 1962 году Бернард Кац смоделировал нейротрансмиссию в пространстве между нейронами, известном как синапсы. Начиная с 1966 года Эрик Кандель и его коллеги изучали биохимические изменения в нейронах, связанные с обучением и хранением памяти у Aplysia. В 1981 году Кэтрин Моррис и Гарольд Лекар объединили эти модели в модель Морриса-Лекара. Такая все более количественная работа привела к многочисленным биологическим моделям нейронов и моделям нейронных вычислений. В результате растущего интереса к нервной системе в течение 20-го века было создано несколько видных нейробиологических организаций, чтобы предоставить форум для всех нейробиологов. Например, Международная организация по исследованию мозга была основана в 1961 году, Международное общество по нейрохимии в 1963 году, Европейское общество мозга и поведения в 1968 году и Общество нейробиологии в 1969 году. В последнее время применение результатов исследований в области нейробиологии также привело к появлению прикладных дисциплин, таких как нейроэкономика, нейрообразование, нейроэтика и нейроправо. Со временем исследования мозга прошли философские, экспериментальные и теоретические этапы, и ожидается, что работы по нейронным имплантам и моделированию мозга будут важны в будущем.
Современная нейробиология
Научное изучение нервной системы значительно возросло во второй половине двадцатого века, главным образом благодаря достижениям в области молекулярной биологии, электрофизиологии и вычислительной нейробиологии. Это позволило нейробиологам изучать нервную систему во всех ее аспектах: ее структуру, принципы работы, развитие, нарушения и возможности изменения. Например, стало возможным детально понять сложные процессы, происходящие внутри одного нейрона. Нейроны – это клетки, специализирующиеся на коммуникации. Они способны общаться с нейронами и другими типами клеток посредством специализированных соединений, называемых синапсами, в которых электрические или электрохимические сигналы передаются от одной клетки к другой. Многие нейроны отпускают длинный тонкий отросток, содержащий аксоплазму, называемый аксоном, который может достигать отдаленных частей тела и способен быстро передавать электрические сигналы, влияя на активность других нейронов, мышц или желез в точках их окончания. Нервная система формируется из совокупности нейронов, соединенных друг с другом в нейронные цепи и сети. Нервную систему позвоночных можно разделить на две части: центральную нервную систему (определяемую как головной и спинной мозг) и периферическую нервную систему. У многих видов – включая всех позвоночных – нервная система является наиболее сложной системой органов в теле, при этом большая часть сложности сосредоточена в мозге. Только в человеческом мозге содержится около ста миллиардов нейронов и сто триллионов синапсов; он состоит из тысяч различных подструктур, соединенных друг с другом в синаптические сети, чьи тонкости только начинают раскрываться. По крайней мере, одна треть из примерно 20 000 генов, входящих в геном человека, экспрессируется преимущественно в мозге. Благодаря высокой степени пластичности человеческого мозга, структура его синапсов и обусловленные ею функции изменяются на протяжении всей жизни. Разобраться в динамической сложности нервной системы – сложнейшая исследовательская задача. В конечном счете, нейробиологи стремятся понять каждый аспект нервной системы, включая ее работу, развитие, нарушения и возможности изменения или восстановления. Поэтому анализ нервной системы проводится на различных уровнях, от молекулярного и клеточного до системного и когнитивного. Конкретные темы, являющиеся основным фокусом исследований, меняются со временем, что обусловлено постоянно расширяющейся базой знаний и доступностью все более совершенных технических методов. Улучшения в технологиях стали основными двигателями прогресса. Развитие электронной микроскопии, компьютерных наук, электроники, функциональной нейровизуализации, генетики и геномики – все это стало важным фактором прогресса. Достижения в классификации клеток мозга стали возможны благодаря электрофизиологической регистрации, секвенированию генов отдельных клеток и высококачественной микроскопии, которые объединились в единый метод, называемый патч-секвенированием, в котором все три метода одновременно применяются с использованием миниатюрных инструментов. Эффективность этого метода и большой объем генерируемых данных позволили исследователям сделать некоторые общие выводы о типах клеток; например, что мозг человека и мыши имеют различные версии в основном одинаковых типов клеток.
Молекулярная и клеточная нейробиология
Основные вопросы, рассматриваемые в молекулярной нейробиологии, включают механизмы, посредством которых нейроны экспрессируют и реагируют на молекулярные сигналы, а также то, как аксоны формируют сложные паттерны связности. На этом уровне инструменты молекулярной биологии и генетики используются для понимания того, как развиваются нейроны и как генетические изменения влияют на биологические функции. Морфология, молекулярная идентичность и физиологические характеристики нейронов, а также их связь с различными типами поведения, также представляют значительный интерес. Вопросы, рассматриваемые в клеточной нейробиологии, включают механизмы физиологической и электрохимической обработки сигналов нейронами. Эти вопросы охватывают то, как сигналы обрабатываются нейритами и сомами, и как нейротрансмиттеры и электрические сигналы используются для обработки информации в нейроне. Нейриты – это тонкие отростки от тела нейронной клетки, состоящие из дендритов (специализированных для приема синаптических сигналов от других нейронов) и аксонов (специализированных для проведения нервных импульсов, называемых потенциалами действия). Сомы – это клеточные тела нейронов, содержащие ядро. Еще одной важной областью клеточной нейробиологии является изучение развития нервной системы, включая паттернирование и регионализацию нервной системы, развитие аксонов и дендритов, трофические взаимодействия, формирование синапсов, роль фрактонов в нейронных стволовых клетках, дифференцировку нейронов и глии (нейрогенез и глиогенез), а также миграцию нейронов. Вычислительное нейрогенетическое моделирование занимается разработкой динамических нейронных моделей для моделирования функций мозга в отношении генов и динамических взаимодействий между генами на клеточном уровне (CNGM также может использоваться для моделирования нейронных систем).
Нейронные схемы и системы
Исследования в области системной нейробиологии сосредоточены на структурной и функциональной архитектуре развивающегося человеческого мозга и функциях крупномасштабных мозговых сетей, или функционально связанных систем внутри мозга. Наряду с развитием мозга, системная нейробиология также изучает, каким образом структура и функции мозга обеспечивают или ограничивают обработку сенсорной информации, используя усвоенные ментальные модели мира для мотивации поведения. Вопросы, рассматриваемые в системной нейробиологии, включают в себя то, как формируются и используются нейронные цепи анатомически и физиологически для реализации таких функций, как рефлексы, мультисенсорная интеграция, координация движений, циркадные ритмы, эмоциональные реакции, обучение и память. Иными словами, эта область исследований изучает, как связи формируются и изменяются в мозге, и какое влияние это оказывает на человеческое восприятие, движения, внимание, тормозной контроль, принятие решений, рассуждения, формирование памяти, вознаграждение и регуляцию эмоций. Конкретные области интереса включают изучение того, как структура нейронных схем влияет на приобретение навыков, как развиваются и изменяются специализированные области мозга (нейропластичность), а также создание атласов мозга, или схем связей отдельных развивающихся мозгов. Родственные области нейроэтологии и нейропсихологии рассматривают вопрос о том, как нейронные субстраты лежат в основе конкретных поведенческих реакций животных и человека. Нейроэндокринология и психонейроиммунология изучают взаимодействия между нервной системой и эндокринной и иммунной системами соответственно. Несмотря на значительный прогресс, механизмы, посредством которых сети нейронов осуществляют сложные когнитивные процессы и поведение, до сих пор остаются недостаточно понятными.
Когнитивные и поведенческие нейробиологии
Когнитивная нейробиология изучает вопросы о том, как психологические функции реализуются посредством нейронных цепей. Развитие мощных новых методов измерения, таких как нейровизуализация (например, фМРТ, ПЭТ, СПЭКТ), ЭЭГ, МЭГ, электрофизиология, оптогенетика и генетический анализ человека, в сочетании с усовершенствованными экспериментальными методами когнитивной психологии, позволяет нейробиологам и психологам исследовать абстрактные вопросы, например, как когниция и эмоции соотносятся с конкретными нейронными субстратами. Хотя многие исследования по-прежнему придерживаются редукционистского подхода, стремясь найти нейробиологические основы когнитивных явлений, последние исследования демонстрируют интересное взаимодействие между нейробиологическими данными и концептуальными исследованиями, объединяющими обе перспективы. Например, нейробиологические исследования эмпатии спровоцировали интересную междисциплинарную дискуссию с участием философии, психологии и психопатологии. Более того, нейробиологическая идентификация множественных систем памяти, связанных с различными областями мозга, поставила под сомнение представление о памяти как о буквальном воспроизведении прошлого, поддерживая взгляд на память как на генеративный, конструктивный и динамический процесс. Нейробиология также тесно связана с социальными и поведенческими науками, а также с новыми междисциплинарными областями. Примеры таких связей включают нейроэкономику, теорию принятия решений, социальную нейробиологию и нейромаркетинг, которые используются для решения сложных вопросов о взаимодействии мозга с окружающей средой. Например, исследование потребительских реакций использует ЭЭГ для изучения нейронных коррелятов, связанных с эффектом погружения в повествование об энергоэффективности.
Вычислительная нейробиология
Вопросы в вычислительной нейробиологии могут охватывать широкий спектр уровней традиционного анализа, таких как развитие, структура и когнитивные функции мозга. Исследования в этой области используют математические модели, теоретический анализ и компьютерное моделирование для описания и проверки биологически правдоподобных нейронов и нервных систем. Например, биологические модели нейронов – это математические описания спайковых нейронов, которые могут быть использованы для описания как поведения отдельных нейронов, так и динамики нейронных сетей. Вычислительная нейробиология часто называется теоретической нейробиологией. Наночастицы в медицине универсальны в лечении неврологических расстройств, демонстрируя многообещающие результаты в обеспечении транспорта лекарств через гематоэнцефалический барьер. Включение наночастиц в противоэпилептические препараты повышает их медицинскую эффективность за счет увеличения биодоступности в кровотоке, а также обеспечивает определенный контроль над скоростью и концентрацией высвобождения. Кроме того, производство наномедицины для клинических испытаний экономически затратно, что замедляет прогресс в их внедрении. Вычислительные модели в нанонейробиологии предоставляют альтернативные способы изучения эффективности лекарств на основе нанотехнологий при неврологических расстройствах, одновременно снижая потенциальные побочные эффекты и затраты на разработку. Из-за присущих неопределенностей в масштабах, в которых действуют наноматериалы, трудно предсказать их поведение до проведения исследований in vivo. Успехи в вычислительном моделировании нейронов привели к разработке стереохимических моделей, которые точно предсказывают работу синапсов, основанных на ацетилхолиновых рецепторах, в микросекундном диапазоне времени. Используется для создания ультратонких наноматериалов с высокосимметричными структурами для оптимизации геометрии, реакционной способности и стабильности. Электрохимические процессы, происходящие в мозге, генерируют электрическое поле, которое может непреднамеренно влиять на поведение некоторых наноматериалов. Гибкость молекулярно-динамического моделирования позволяет врачам персонализировать лечение. Данные о наночастицах из трансляционной наноинформатики связывают неврологические данные, специфичные для пациента, с прогнозом ответа на терапию. Неврология изучает заболевания центральной и периферической нервной системы, такие как амиотрофический латеральный склероз (АЛС) и инсульт, и их медицинское лечение. Психиатрия фокусируется на аффективных, поведенческих, когнитивных и перцептивных расстройствах. Анестезиология изучает восприятие боли и фармакологическое изменение сознания. Нейропатология занимается классификацией и основными патогенными механизмами заболеваний центральной и периферической нервной системы и мышц, с акцентом на морфологические, микроскопические и химически наблюдаемые изменения. Нейрохирургия и психохирургия в основном занимаются хирургическим лечением заболеваний центральной и периферической нервной системы.
Трансляционные исследования
В последнее время границы между различными специальностями стали размытыми, поскольку на все они оказывают влияние фундаментальные исследования в области нейронаук. Например, нейровизуализация позволяет получить объективное биологическое понимание психических расстройств, что может привести к более быстрой диагностике, более точному прогнозу и улучшенному мониторингу динамики состояния пациента. Интегративная нейронаука описывает стремление объединить модели и информацию, полученную на разных уровнях исследований, для разработки целостной модели нервной системы. Например, сочетание нейровизуализации с физиологическими численными моделями и теориями фундаментальных механизмов может помочь пролить свет на психиатрические расстройства. Еще одна важная область трансляционных исследований – это интерфейсы «мозг – компьютер», или устройства, способные взаимодействовать с мозгом и оказывать на него влияние. В настоящее время исследуется потенциал интерфейсов «мозг – компьютер» (ИМК) для восстановления нейронных систем и восстановления определенных когнитивных функций. Однако, прежде чем они будут приняты, необходимо решить ряд этических вопросов.
Основные отрасли
Современные нейробиологические образовательные и исследовательские направления можно очень грубо разделить на следующие основные ветви, основываясь на предмете и масштабе изучаемой системы, а также на различных экспериментальных или учебных подходах. Однако отдельные нейробиологи часто работают над вопросами, охватывающими несколько различных областей. + Список основных ветвей нейробиологииВетвь Описание Аффективная нейробиология Аффективная нейробиология – это изучение нейронных механизмов, вовлеченных в эмоции, как правило, посредством экспериментов на моделях животных. Поведенческая нейробиология (также известная как биологическая психология, физиологическая психология, биопсихология или психобиология) – это применение принципов биологии к изучению генетических, физиологических и процессов развития механизмов поведения у людей и животных. Клеточная нейробиология Клеточная нейробиология – это изучение нейронов на клеточном уровне, включая морфологию и физиологические свойства. Клиническая нейробиология Научное изучение биологических механизмов, лежащих в основе расстройств и заболеваний нервной системы. Когнитивная нейробиология – это изучение биологических механизмов, лежащих в основе познавательных процессов. Культурная нейробиология – это изучение того, как культурные ценности, практики и убеждения формируют и формируются разумом, мозгом и генами в различных временных масштабах. Нейробиология развития Нейробиология развития изучает процессы, которые генерируют, формируют и переформируют нервную систему, и стремится описать клеточную основу нервного развития для выявления лежащих в основе механизмов. Эволюционная нейробиология Эволюционная нейробиология изучает эволюцию нервных систем. Молекулярная нейробиология Молекулярная нейробиология изучает нервную систему с использованием молекулярной биологии, молекулярной генетики, химии белков и смежных методологий. Нанонейробиология Междисциплинарная область, объединяющая нанотехнологии и нейробиологию. Нейроинженерия Нейроинженерия использует инженерные методы для взаимодействия с нервными системами, их понимания, восстановления, замены или улучшения. Нейроанатомия Нейроанатомия – это изучение анатомии нервных систем. Нейрохимия Нейрохимия – это изучение того, как нейрохимические вещества взаимодействуют и влияют на функцию нейронов. Нейроэтология Нейроэтология – это изучение нейронных основ поведения животных. Нейрогастрономия – это изучение вкуса и его влияния на ощущения, познание и память. Нейрогенетика Нейрогенетика – это изучение генетической основы развития и функционирования нервной системы. Нейровизуализация Нейровизуализация включает использование различных методов для прямого или косвенного отображения структуры и функции мозга. Нейроиммунология Нейроиммунология изучает взаимодействие нервной и иммунной систем. Нейроинформатика Нейроинформатика – это дисциплина в биоинформатике, занимающаяся организацией данных нейробиологии и применением вычислительных моделей и аналитических инструментов. Нейролингвистика – это изучение нейронных механизмов в мозге человека, контролирующих понимание, порождение и усвоение языка. Нейрофизиология – это изучение структуры и функции нервной системы, как правило, с использованием физиологических методов, включающих измерение и стимуляцию электродами или оптически с помощью ионных или чувствительных к напряжению красителей или светочувствительных каналов. Нейропсихология Нейропсихология – это дисциплина, находящаяся в сфере как психологии, так и нейробиологии, и участвующая в деятельности как в области фундаментальной науки, так и прикладной науки. В психологии она наиболее тесно связана с биопсихологией, клинической психологией, когнитивной психологией и психологией развития. В нейробиологии она наиболее тесно связана с когнитивной, поведенческой, социальной и аффективной нейробиологией. В прикладной и медицинской областях она связана с неврологией и психиатрией. Нейропсихофармакология Нейропсихофармакология – это междисциплинарная наука, связанная с психофармакологией и фундаментальной нейробиологией, изучающая нейронные механизмы, на которые воздействуют лекарственные препараты для влияния на поведение. Палеоневробиология – это область, сочетающая методы, используемые в палеонтологии и археологии для изучения эволюции мозга, особенно мозга человека. Социальная нейробиология Социальная нейробиология – это междисциплинарная область, посвященная пониманию того, как биологические системы реализуют социальные процессы и поведение, а также использованию биологических концепций и методов для информирования и уточнения теорий социальных процессов и поведения. Системная нейробиология Системная нейробиология – это изучение функции нейронных цепей и систем.
Нейробиологические организации
Крупнейшей профессиональной организацией в области нейронаук является Общество нейробиологии (SFN), которое базируется в Соединенных Штатах, но включает в себя множество членов из других стран. С момента основания в 1969 году SFN постоянно росло: по состоянию на 2010 год в нем было зарегистрировано 40 290 членов из 83 стран. Ежегодные конференции, проводимые каждый год в разных городах США, привлекают исследователей, постдокторантов, аспирантов и студентов бакалавриата, а также образовательные учреждения, финансирующие организации, издательства и сотни компаний, поставляющих продукты для исследований. Другие крупные организации, занимающиеся нейронауками, включают Международную организацию исследований мозга (IBRO), которая ежегодно проводит свои конференции в странах разных частей света, и Федерацию европейских нейробиологических обществ (FENS), которая каждые два года проводит конференции в разных европейских городах. FENS объединяет 32 национальные организации, включая Британскую нейробиологическую ассоциацию, Немецкое общество нейробиологии (Neurowissenschaftliche Gesellschaft) и Французское общество нейробиологии. Первое Национальное общество чести в области нейронаук, Nu Rho Psi, было основано в 2006 году. Существует также множество молодежных нейробиологических обществ, поддерживающих студентов бакалавриата, аспирантов и начинающих исследователей, таких как Simply Neuroscience и Project Encephalon. В 2013 году в США была объявлена инициатива BRAIN. Международная инициатива по изучению мозга была создана в 2017 году и в настоящее время объединяет более семи национальных исследовательских инициатив в области изучения мозга (США, Европа, Институт Аллена, Япония, Китай, Австралия, Канада, Корея и Израиль), охватывающих четыре континента.
Общественное просвещение и информационная деятельность
В дополнение к проведению традиционных исследований в лабораторных условиях, нейробиологи также участвуют в повышении осведомленности и распространении знаний о нервной системе среди широкой общественности и государственных служащих. Эту работу выполняют как отдельные нейробиологи, так и крупные организации. Например, отдельные нейробиологи способствуют развитию нейробиологического образования среди школьников, организуя Международную нейробиологическую олимпиаду (International Brain Bee) – академическое соревнование для учащихся старших классов по всему миру. В Соединенных Штатах крупные организации, такие как Общество нейробиологии, продвигают нейробиологическое образование, разработав пособие «Факты о мозге» (Brain Facts), сотрудничая с учителями государственных школ для разработки основных концепций нейробиологии для учителей и учеников K-12, и совместно с Фондом Дана проводя кампанию «Неделя осведомленности о мозге» (Brain Awareness Week) с целью повышения осведомленности общественности о достижениях и преимуществах исследований мозга. В Канаде ежегодно в Университете Макмастера проводится Канадская национальная нейробиологическая олимпиада. В 1992 году преподаватели нейробиологии основали Факультет нейробиологии для студентов бакалавриата (FUN) для обмена передовым опытом и предоставления грантов на поездки для студентов, представляющих свои работы на конференциях Общества нейробиологии. Нейробиологи также сотрудничают с другими специалистами в области образования для изучения и совершенствования образовательных методик с целью оптимизации обучения, что является развивающейся областью, известной как образовательная нейробиология. Федеральные агентства в Соединенных Штатах, такие как Национальный институт здоровья (NIH) и Национальный научный фонд (NSF), также финансируют исследования, касающиеся лучших практик преподавания и изучения концепций нейробиологии.
Нейроморфные компьютерные чипы
Нейроморфная инженерия – это область нейробиологии, занимающаяся созданием функциональных физических моделей нейронов для выполнения полезных вычислений. Вычислительные свойства нейроморфных компьютеров принципиально отличаются от традиционных компьютеров тем, что они представляют собой сложную систему, в которой вычислительные компоненты взаимосвязаны и не имеют центрального процессора. Примером такого компьютера является суперкомпьютер SpiNNaker. Нейроморфные технологии позволяют создавать более интеллектуальные сенсоры. Примером является BrainScaleS (многомасштабные вычисления, вдохновленные мозгом, в нейроморфных гибридных системах) Event Camera – гибридный аналоговый нейроморфный суперкомпьютер, расположенный в Гейдельбергском университете в Германии. Он был разработан в рамках нейроморфной вычислительной платформы проекта «Человеческий мозг» и является дополнением к суперкомпьютеру SpiNNaker, основанному на цифровых технологиях. Архитектура BrainScaleS имитирует биологические нейроны и их связи на физическом уровне; кроме того, благодаря использованию кремния, эти модельные нейроны работают в среднем в 864 раза быстрее (24 часа реального времени соответствуют 100 секундам в машинной симуляции), чем их биологические прототипы. Недавние достижения в области нейроморфных микрочипов позволили группе ученых создать искусственный нейрон, способный заменять реальные нейроны при заболеваниях.
Нобелевские премии, связанные с нейробиологией
Год Премия Область Лауреат Продолжительность жизни Страна Обоснование Ссылка 1904Физиология Иван Петрович Павлов 1849–1936 Российская империя "в знак признания его работы по физиологии пищеварения, благодаря которой знания о жизненно важных аспектах этой области были преобразованы и расширены" 1906Физиология Камилло Гольджи 1843–1926 Королевство Италия "в знак признания их работы по структуре нервной системы" Сантьяго Рамон-и-Кахаль 1852–1934 Испания 1911Физиология Алвар Гуллстранд 1862–1930 Швеция "за его работы по диоптрике глаза" 1914Физиология Роберт Барани 1876–1936 Австро-Венгрия "за его работы по физиологии и патологии вестибулярного аппарата" 1932Физиология Чарльз Скотт Шерингтон 1857–1952 Великобритания "за открытия, касающиеся функций нейронов" Эдгар Дуглас Адриан 1889–1977 Великобритания 1936Физиология Генри Халлетт Дейл 1875–1968 Великобритания "за открытия, касающиеся химической передачи нервных импульсов" Отто Леви 1873–1961 Австрия Германия 1938Физиология Корнель Жан Франсуа Эйманс 1892–1968 Бельгия "за открытие роли синусового и аортального механизмов в регуляции дыхания" 1944Физиология Джозеф Эрлангер 1874–1965 США "за открытия, касающиеся высокодифференцированных функций отдельных нервных волокон" Герберт Спенсер Гассер 1888–1963 США 1949Физиология Вальтер Рудольф Гесс 1881–1973 Швейцария "за открытие функциональной организации промежуточного мозга как координатора деятельности внутренних органов" Антониу Эгаш Мониш 1874–1955 Португалия "за открытие терапевтической ценности лоботомии при некоторых психозах" 1957Физиология Даниэль Бове 1907–1992 Италия "за открытия, касающиеся синтетических соединений, ингибирующих действие определенных веществ организма, и особенно их действие на сосудистую систему и скелетные мышцы" 1961Физиология Георг фон Бекеши 1899–1972 США "за открытия физического механизма стимуляции в улитке" 1963Физиология Джон Кареу Экклс 1903–1997 Австралия "за открытия, касающиеся ионных механизмов, участвующих в возбуждении и торможении в периферических и центральных частях мембраны нервной клетки" Алан Ллойд Ходжкин 1914–1998 Великобритания Эндрю Филдинг Хаксли 1917–2012 Великобритания 1967Физиология Рагнар Гранит 1900–1991 Финляндия Швеция "за открытия, касающиеся первичных физиологических и химических зрительных процессов в глазу" Халдан Кеффер Хартлайн 1903–1983 США Джордж Волд 1906–1997 США 1970Физиология Юлиус Аксельрод 1912–2004 США "за открытия, касающиеся гуморальных трансмиттеров в нервных окончаниях и механизма их хранения, высвобождения и инактивации" Конрад Лоренц 1903–1989 Австрия Николаас Тинберген 1907–1988 Нидерланды 1977Физиология Роджер Гильмен 1924–2024 Франция "за открытия, касающиеся производства пептидных гормонов мозгом" Эндрю В. Шалли 1926– Польша 1981Физиология Роджер У. Сперри 1913–1994 США "за открытия, касающиеся функциональной специализации полушарий головного мозга" Рита Леви-Монтальчини 1909–2012 Италия 1997Физиология Стэнли Б. Прузинер 1942– США "за открытие Прионов – нового биологического принципа инфекции" 1997Химия Йенс К. Ску 1918–2018 Дания "за первое открытие ионного транспортного фермента, Na+, K+ АТФазы" 2000Физиология Арвид Карлссон 1923–2018 Швеция "за открытия, касающиеся передачи сигналов в нервной системе" Пол Грингард 1925–2019 США Эрик Р. Кандель 1929– США 2003Химия Родерик Маккиннон 1956– США "за открытия, касающиеся каналов в клеточных мембранах [ ] для структурных и механистических исследований ионных каналов" 2004Физиология Ричард Аксель 1946– США "за открытия обонятельных рецепторов и организации обонятельной системы" Линда Б. Бак 1947– США 2012Химия Роберт Лефковиц 1943– США "за исследования G-белок-связанных рецепторов" Брайан Кобилка 1955– США 2014Физиология Джон О’Киф 1939– США Великобритания "за открытия клеток места и решетки, составляющих систему позиционирования в мозге" Мэй-Бритт Мозер 1963– Норвегия Эдвард И. Мозер 1962– Норвегия 2017Физиология Джеффри К. Холл 1939– США "за открытия молекулярных механизмов, контролирующих циркадные ритмы" Майкл Робаш 1944– США Майкл В. Янг 1949– США 2021Физиология Дэвид Джулиус 1955– США "за открытия рецепторов температуры и прикосновения" Ардем Патапоутиан 1967– Ливан