Нейробиология Введение 2008

Рекомендуемая литература 1. Шульговский В.В. Основы нейрофизиологии. М.: Аспект пресс, Шульговский В.В. Физиология высшей нервной деятельности с основами нейробиологии. М., Блум Ф., Лейзерсон А., Хофстедтер Л. Мозг, разум и поведение. М., 1988.

Дополнительная литература 1. Морфология нервной системы. Под ред. Бабминдра В.П. Л.: Изд- во ЛГУ, Зорина З. А., Смирнова А. А. О чем рассказали "говорящие" обезьяны. М.: Языки славянских культур, Зорина З.А. Полетаева И.И. Элементарное мышление животных. М., Лурия А.Р. Основы нейропсихологии. М: Изд-во МГУ, Мак-Фарленд Д. Поведение животных. Психобиология, этология и эволюция. М., Николлс Дж.Г., Мартин А.Р., Валлас Б.Дж. и др. От нейрона к мозгу. М.: УРСС, Смит К. Биология сенсорных систем. М.: Изд-во "Бином", Спрингер С., Дейч Г. Левый мозг, правый мозг. М.: Мир, Фабри К.Э. Основы зоопсихологии. 1976, 1993, 1999, Физиология человека. Под редакцией Р. Шмитдта и Г. Тевса. В 3-х томах. М.: Мир Хомутов А.Е., Кульба С.Н. Анатомия центральной нервной системы. Ростов-на-Дону, Изд-во "Феникс", Шеперд Г. Нейробиология. В 2-х томах М: Мир, 1987.

Предмет нейробиологии

Нейробиология (или нейронаука, neuroscience) – комплекс наук, направленных на изучение строения, функций и закономерностей работы нервной системы.

Нейробиология – это изучение нервных клеток и способов их организации в нервную систему, управляющую поведением…. Г.Шеперд, 1987

Некоторые основные уровни изучения нервной системы: Физико-химические и молекулярно-биологические процессы в нервных клетках Гистологическое строение нервной системы Механизмы взаимодействия между нервными клетками, объединяющего их в вычислительную сеть, обладающую памятью Механизмы работы мозга, обеспечивающие базовые физиологические и поведенческие функции (регуляция дыхания, кровообращения, пищеварения и т.п., чередование сна и бодрствования, мотивации и эмоции, восприятие окружающего мира с помощью органов чувств, движение и др.) Механизмы работы мозга, обеспечивающие высшие когнитивные функции (речь, внимание, сознание и др.).

Основные темы докладов ежегодного съезда Американского Society for Neuroscience ( собирающего более 25 тыс. участников ежегодно A: Development B: Neural Excitability, Synapses, and Glia: Cellular Mechanisms C: Disorders of the Nervous System D: Sensory and Motor Systems E: Homeostatic and Neuroendocrine Systems F: Cognition and Behavior G: Techniques in Neuroscience H: History and Teaching of Neuroscience

Основная «конечная» задача нейробиологии это изучение материального субстрата психической деятельности. Таким образом, нейробиологический уровень знаний лежит в основе ряда гуманитарных областей знания: прежде всего, психологии, а также филологии, лингвистики, социологии и др.

Нейробиологические знания необходимы для понимания закономерностей психики, языка, культуры человека решения практических задач сохранения здоровья и высокой работоспособности человека, управления поведением животных, создания искусственных интеллектуальных кибернетических систем и роботов, решения философских вопросов о природе души и психики, о свободе воли и др.

Место нейробиологии среди других наук: Нейробиология имеет многочисленные точки пересечения с рядом других областей знания Психология Медицина (в т.ч. наркология, неврология и невропатология, психиатрия, психотерапия) Физиология (Био)химия (Био)физика Биология (гистология, эмбриология, теория эволюции и др.) Кибернетика (в т.ч. создание интеллектуальных самообучающихся систем, систем распознавания образов, роботов)

Некоторые важнейшие понятия нейробиологии

Нервная система построена из нейронов – чрезвычайно разнообразных клеток, способных к приему, обработке, хранению и передаче элементарных единиц информации. Места соединения нейронов друг с другом, в которых происходит передача сигналов с одного нейрона на другой, называются синапсами. Нейроны окружены глиальными клетками (глией), выполняющими вспомогательные функции, но не принимающей непосредственного участия в обработке информации.

Пирамидные нейроны в коре больших полушарий мозга крысы

Пример соединения нейронов в простейшую нервную сеть

Под поведением понимают комплекс ответных реакций, обусловленных действием на организм внешних и внутренних условий и опосредованных деятельностью нервной системы. Поведение (животных и человека) характеризуется целенаправленностью – т.е. имеет не только причину, но и цель. Поведение реализуется во внешнем мире прежде всего за счет произвольной или непроизвольной работы мышц (например, произвольное движение рукой, чтобы взять предмет со стола; или улыбка на лице человека, непроизвольно возникающая при социальном контакте), а также деятельности желез, которая практически всегда непроизвольна (например, выделение слез или пота).

Схема соотношения основных элементарных компонентов поведения (по Л. В. Крушинскому, 1977). Обучение Инстинкт Разумное поведение

Пример инстинктивного поведения. Недавно вылупившиеся птенцы запрокидывают голову, открывают рот и издают громкий писк. Родители помещают принесенную пищу в клювы птенцов.

Пример инстинктивного поведения: роющая оса помещает парализованного сверчка в норку в качестве корма для своих личинок.

Пример классического условного рефлекса как одной из форм обучения

Пример использования инструментального обучения в цирковой дрессуре

Первые эксперименты по изучению разумного поведения животных (эксперименты Кёллера на шимпанзе)

Изучение структуры и функций мозга невозможно без учета важнейшего принципа, высказанного Ч.Дарвином в «Происхождении видов...» (1859): движущая сила развития организмов лежит в приспособительных взаимоотношениях с окружающей средой.

Некоторые вехи в истории формирования представлений о функционировании нервной системы

В античности сформировались два основных философских взгляда на природу мироздания – идеализм и материализм. У истоков материализма стоит учение Демокрита, а идеализма – учения Платона и Аристотеля

Демокрит (Demokritos), около 460 до н. э. - около 370 до н. э. Считал, что душа состоит из атомов, которые рассеиваются после смерти человека. При жизни же на организм постоянно падают атомы, отрывающиеся от предметов. Совокупности атомов, представляющие собой копии предметов, вызывают деятельность органов чувств и порождают ощущения и мышление.

Платон 428/7 до н. э до н. э. Полагал, что душа человека двойственна. Она делится на душу низшего порядка смертную, и на душу высшего порядка бессмертную. Бессмертная душа независима от тела, она может переходить от одного организма к другому и может существовать самостоятельно. Душа смертная, умирающая вместе с телом, пребывает в разных частях тела: разумная в голове, ощущающая в сердце, а растительная в животе. Человек наделен обоими видами души, а животное обладает только смертной душой.

Аристотель 384 до н.э- 322 до н.э В трактате «О душе» выступает как глубокий мыслитель, ратующий за единство души и тела и зависимость явлений психических от явлений телесных. По его мнению, человек обладает как высшей, так и низшей формой души, а животные только последней. Аристотель описал некоторые феномены психики (последовательные образы, явления сенсорной адаптации, некоторые иллюзии восприятия) и вместе с тем он отвергал представление о том, что органом психики является мозг.

«… Душа, - писал Аристотель,- необходимо есть сущность в смысле формы естественного тела, обладающего возможностью жизнью. Сущность же (как форма) есть энтелехия; стало быть, душа есть энтелехия такого тела». «Если бы глаз был живым существом, то душой его было бы зрение». Итак, душа так же как зрение – сущность и «осуществление» глаза как органа зрения.

Гиппократ из Коса (Hippokrates) ок. 460 до н.э. - ок. 370 до н.э. …На собственном опыте он убедился, что основным методом в медицине следует считать "мыслящее" наблюдение. Умение наблюдать позволило ему описать ныне всем известные типы людей: сангвиника, холерика, флегматика и меланхолика. Рассматривал человека в неразрывном единстве телесной и духовной жизни, видел в темпераменте внутреннюю гармонию составных частей тела. Полагал, что мозг является органом ощущений и мышления.

Гален Римский врач, проводивший не только наблюдения за поведением своих пациентов, но и анатомирование и физиологические эксперименты на животных. Он испытывал действие лекарственных веществ на организм животных, перерезал у них различные нервы, идущие от органов чувств к мозгу, и своими наблюдениями подтверждал взгляды Гиппократа на мозг как орган ощущений и мышления. Имеются сведения, что опыты ставились на живых людях (на гладиаторах и приговоренных к смерти преступниках), которым, например, механическим путем раздражали обнаженный мозг. Органами души Гален считал мозг, сердце и печень. Гален указывал, что в головном мозге есть центры глотания, жевания, мимики.

Леонардо Да Винчи придерживается средневекового представления о сферических желудочках мозга, передний из которых он называет «камерой здравого смысла», где располагается душа Леонардо Да Винчи (Leonardo Da Vinci)

Рене Декарт (René Descartes) (латинизированное имя – Картезий, Renatus Cartesius) 1596–1650 Заложил важнейшие теоретические представления, которые легли в основу современной психологии и нейробиологии

Основные теоретические положения Р. Декарта, используемые современной физиологией и психологией: органом ощущений, эмоций и мыслей является мозг; мышечный ответ порождается процессами в примыкающем к мышце нерве; ощущение обусловлено изменениями в нерве, связывающем орган чувств с мозгом; движение в сенсорных нервах отражается на моторных, и это возможно без участия воли (рефлекторный акт); вызванные посредством сенсорного нерва движения в веществе мозга создают готовность вновь производить такое же движение (обучаемость). >Понятие о стимуле, о рефлексе, детерминизм, дуализм Декарта

Ответная реакция организма по Декарту

Жюльен Офре де Ламетри Писал, что разделение Декартом двух субстанций представляло не более чем «стилистическую хитрость», придуманную для обмана теологов. Душа действительно существует, но ее невозможно отделить от тела. Если тело машина, то и человек в целом со всеми его душевными способностями всего лишь чувствующая, мыслящая и стремящаяся к наслаждениям машина. В 1748 г. Ламетри издал книгу «Человек машина».

Йиржи Прохазка (Jiří Procháska) Ввел термин «рефлекс». Сделал еще один шаг вперед в физиологическом утверждении стимула, ибо постулировал, что ответная рефлекторная реакция всегда проявляется в размерах, соответствующих силе приложенного стимула. Телесная часть «общего чувствилища» локализуется в спинном мозге, а душевная в головном.

Чарльз Белл (Charles Bell) Франсуа Мажанди (François Magendie) Независимо друг от друга открыли закон, названный впоследствии их именем, описывающий закономерности работы спинного мозга

Закон Белла-Мажанди: центробежные (двигательные) нервные волокна выходят из спинного мозга в составе передних корешков, а центростремительные (чувствительные) волокна вступают в спинной мозг в составе задних корешков. Через передние корешки выходят также центробежные нервные волокна, иннервирующие гладкие мышцы, сосуды и железы. Рефлекторная дуга коленного рефлекса

Маршал Холл (Marshall Hall) М. Холлу принадлежит термин «рефлекторная дуга», состоящая из 1) афферентного нерва 2) спинного мозга 3) эфферентного нерва

Франц Галль (Franz Joseph Gall) ( ) Австрийский врач и анатом, создал учение - френологию - основанное на том, что различные психические способности (ум, память и др.) локализуются в определенных областях головного мозга, которым соответствуют «шишки» и другие рельефы на поверхности черепа.

Френологические карты Ф.Галля

В целом до конца XIX века исследователи не решались всерьез связать деятельность мозга с высшими психическими функциями. Однако со второй половины XIX века начали проводиться строгие количественные исследования психических явлений человека (психофизика), на рубеже веков начались количественные строго контролируемые исследования поведения животных (бихевиоризм). Одновременно стали накапливаться научные данные о нарушении психических функций человека при травмах мозга – позднее в XX в. из этих наблюдений родилась нейропсихология.

Эдвард Торндайк (Edward Lee Thorndike) Джон Уотсон (John B. Watson ) Американские психологи, заложили теоретические основы бихевиоризма, в основе которого - строгие количественные эксперименты для изучения поведения. Бихевиористы до середины XX века отказывались от изучения мозга и подходили к нему как к «черному ящику», недоступному для непосредственного изучения

Кошка в проблемном ящике Торндайка

Торндайк сформулировал три главных закона обучения пользы, эффекта и упражнения. Суть этих законов в том, что полезные действия животного, в силу их связи с приятным чувством в результате выхода, освобождения из клетки, закрепляются, а вредные, вызывающие неприятные чувства, исчезают. Полезные действия становятся тем прочнее, чем больше организм в них упражняется. Торндайк заложил основы методического подхода, который в дальнейшем лег в основу бихевиоризма.

Вольфганг Кёллер (Wolfgang Köhler) В рамках концепции гештальтпсихологии провел революционные исследования разумного поведения животных.

Эксперименты Кёллера на шимпанзе

Иван Михайлович Сеченов 1829 – 1905 В 1863 г. опубликовал книгу «Рефлексы головного мозга», где приводил убедительные доказательства рефлекторной природы психической деятельности. Открыл центральное торможение.

Он писал: «Смеется ли ребенок при виде игрушки, улыбается ли Гарибальди, когда его гонят за излишнюю любовь к Родине, дрожит ли девушка при первой мысли о любви, создает ли Ньютон мировые законы и пишет их на бумаге везде окончательным фактом является мышечное движение». И. М. Сеченов поставил вопрос о существовании двух родов рефлексов. Во-первых, постоянные, врожденные, осуществляемые низшими отделами нервной системы. Во-вторых, рефлексы головного мозга изменчивые, приобретенные в индивидуальной жизни.

Иван Петрович Павлов 1849 – 1936 Создал первый уникальный метод физиологического изучений психических явлений. Создал учение об условном рефлексе, детально исследовал это фундаментальное явление.

Эксперимент в лаборатории И.П.Павлова

Установка для исследования условных слюнных рефлексов по И.П.Павлову: А внутренняя часть экспериментальной камеры; Б внешняя часть

И. П. Павловым был прежде всего создан лабораторный метод объективного изучения приспособительной деятельности человека и животных метод условных рефлексов. Условнорефлекторные методики до сих пор являются одним из основным методов изучения нейробиологических механизмов поведения. И. П. Павлов создал теорию условных рефлексов – важнейшую веху в понимании мозговых механизмов психических явлений, до сих пор сохранившую огромное научное значение. И. П. Павлов предпринял попытку локализовать сам нервный процесс замыкания нервных связей в коре головного мозга у высших животных и человека (хотя как показали исследования конца XX века, этот процесс намного сложнее, чем его представлял себе И. П. Павлов.)

Постепенно в течение XX в. в нейробиологии происходил переход к когнитивной трактовке наблюдаемых явлений, так как чисто рефлекторного объяснения («стимул- реакция») многих наблюдаемых явлений оказалось недостаточно. Прежде всего при этом подразумевается, что основная функция нервной системы состоит не столько в реакции на раздражители (хотя эта функция не отрицается), сколько в формировании адаптивного поведения на основе некоторых сложных и отчасти автономных процессов в нервной системе.

Физиологические исследования в сочетании с изучением анатомии и морфологии головного мозга привели к однозначному заключению – именно головной мозг является инструментом нашего сознания, мышления, восприятия, памяти и других психических функций. Современное состояние этой области знания, достигнутое в ходе развития науки в XX-XXI вв., и составит содержание нашего курса.

Методы изучения нервной системы и поведения

Методы изучения нервной системы: морфологические – изучение строения нервной системы биохимические – изучение биохимических процессов в нервной системе физиологические – разрушение, стимуляция, регистрация процессов в работающей нервной системе Современные методы на практике обычно сочетают в себе особенности нескольких групп

Методы изучения поведения: этологические – наблюдение за поведением в естественной среде обитания (либо имитируется естественная среда в лабораторных условиях) условнорефлекторные – изучение обучения животного в строго контролируемых воспроизводимых лабораторных условиях, при воздействии очень ограниченного количества повторяющихся стимулов и изоляции от всех остальных внешних воздействий когнитивные – исследуется поведение в сложных искусственно создаваемых ситуациях в лабораторных условиях; методы ориентированы на изучение способности сразу находить выход из новой ситуации

Поведенческие методы

Установка для исследования условных слюнных рефлексов по И.П.Павлову (по Э.А.Асратяну, 1974): А внутренняя часть экспериментальной камеры; Б внешняя часть

Схемы экспериментальных установок для изучения условных пищедобывательных рефлексов у животных разных видов (по Л. Г. Воронину, 1965)

Экспериментальная камера с двумя рычагами, двумя лампочками, верхней подсветкой, электропроводным полом и автоматической кормушкой (TSE Systems)

8-лучевой радиальный лабиринт (TSE Systems)

Водный лабиринт, или лабиринт Морриса (слева: до обучения, справа – после обучения)

Водный лабиринт, или лабиринт Морриса (TSE Systems) : компьютерная система видеорегистрации

Исследование рассудочной деятельности животных: установка для определения способности к экстраполяции (работы Л.В. Крушинского). А общий вид установки для опытов с хищными млекопитающими, кроликами и птицами; Б камера для экспериментов с мышами

Эксперимент по оперированию эмпирической размерностью фигур (животное должно догадаться, что пища может быть спрятана внутри объемной фигуры, но не внутри плоской)

Гистологические методы

Поперечные срезы через зубчатую фасцию гиппокампа мозга крысы, окрашенные иммуногистохимическими методами. На правой фотографии видны последствия эпилептического припадка.

Незрелый нейрон культуры гиппокампа. Фазово-контрастная микроскопия.

Распространение красителя люцифер желтый в сети горизонтальных клеток сетчатки глаза кролика

Нейрон гиппокампа, окрашенный иммуногистохими- ческими методами. MAP2 – голубой, синапсин – красный.

Нейрон, окрашенный иммуногистохимическими методами. PSD-95 - красный, бета-Gal - зеленый

Нервномышечные синапсы в мышце мыши, окрашенный иммуногистохимическими методами. Пресинаптические нервные терминали – зеленые, перисинаптические Шванновские клетки – голубые, постсинаптические рецепторы ацетилхолина - красные

Микроэлектродные исследования

Металлический микроэлектрод в зрительной коре обезьяны.

Выразительный рисунок Куффлера, сделанный в первые годы современного этапа развития нейробиологии. Вооруженный надежным микроэлектродом, Дон Кихот хочет раскрыть секреты нейрона (А), однако оказывается, что нейрон активно защищается (Б). (Kuffler, 1958.)

Матрица микроэлектродов

Стеклянный внутриклеточный электрод

Эксперимент на переживающем срезе мозга

Электроэнцефалография

Электроэнцефалография (ЭЭГ) и : Метод основан на регистрации электрических потенциалов от кожи головы человека, возникающих как результат электрической активности нейронов мозга, совершенно безвреден, относительно не дорог, дает очень хорошее временное разрешение (порядка миллисекунд), однако не всегда позволяет однозначно связать наблюдаемые явления с анатомическим образованиями мозга. Существует также магнитоэнцефалография (МЭГ), основанная на регистрации магнитного поля, возникающего как следствие переменных электрических токов в мозге; череп и кожа головы вносят меньшие искажения в МЭГ, чем ЭЭГ, поэтому МЭГ позволяет более точно локализовать источники активности в мозге.

Портативный 8-канальный энцефалограф 80-х гг.

Современный энцефалограф

Электроды для энцефалографии на голове испытуемого

Энцефалограмма

Обработка энцефалограммы

Ритмы ЭЭГ человека

Обработка вызванных потенциалов

Вызванные потенциалы при распознавании зрительных образов

Магнитоэнцефалография

Томографические методы

Основные методы трехмерной визуализации мозга: Компьютерная томография – реконструкция трехмерной структуры на основе серии рентгеновских снимков ЯМР-томография (магниторезонансная томография) – основана на явлении ядерного магнитного резонанса ПЭТ-томография – основана на регистрации излучения от слаборадиоактивного вещества, которое вводится в кровь. Позволяет увидеть скорость потребления глюкозы и соответственно обнаружить наиболее активные участки мозга Все три метода дают трехмерное изображение живого мозга и относительно безвредны, но они не позволяют наблюдать быстрые процессы (сканирование занимает не меньше нескольких минут) и очень дороги.

ЯМР томография

ПЭТ томография

На изображении среза мозга, полученном с помощью фЯМР, выделены два участка, активность которых повышается, когда человек отрицает, что на руках у него пятерка треф

Окулография

Окулография Глаз снимают на видеокамеру, и на изображении определяют координаты более темного зрачка.

Свободное рассматривание Оценить материальное положение семьи Определить возраст Чем занималась семья до прихода… Запомнить одежду Запомнить предметы и людей в комнате Сколько времени отсутствовал…