Нейронаука

Нейронаука (англ. neuroscience) – это научное направление, которое занимается изучением химических, биологических и анатомических особенностей, влияющих на деятельность мозга и нервной системы (НС). Нейронаука является зонтичным понятием, поскольку объединяет множество междисциплинарных направлений, включая медицину, химию, психологию, молекулярную биологию, анатомию, физику и др.

Сейчас многими принято считать, что нейронаука и нейробиология являются тождественными терминами, однако по определению из Оксфордского словаря:

  • Нейронаука – наука, изучающая структуру и функции мозга и нервной системы.1 
  • Нейробиология – научная дисциплина, изучающая биологию нервной системы, в частности, ее функции, опосредующие поведение.2

Поэтому мы будем определять нейробиологию как одно из направлений нейронауки.

Что изучает нейронаука?

Нейронаука предполагает изучение нервной системы и того, как она влияет на поведение, с использованием широкого спектра научных методов и подходов. Нейронаука нацелена на понимание того, как нервная система функционирует у здоровых людей и у людей с различными расстройствами мозга, включая психические заболевания. Для этого нейронаука, в первую очередь, фокусируется на строении и развитии центральной нервной системы, которая состоит из головного и спинного мозга. 

По этой причине исследования в области нейронауки часто направлены на то, как в мозге реализуются когнитивные функции и поведение. 

Специалистов, которые изучают нейронауку, называют нейробиологами или нейроучеными. 

Нейронаука и изучение мозга

Нейронаука является основным источником информации о мозге и его влиянии на поведение и когнитивные функции. Благодаря все большему количеству методов, таких как магнитно-резонансная томография (МРТ), электроэнцефалография (ЭЭГ) и технологии трехмерной визуализации, это направление помогает понять сложную работу мозга.

Медицинская значимость нейронауки

Понимание работы мозга играет решающую роль в лечении и профилактике многих неврологических состояний.

Нейронаука помогла лучше понять механизмы развития различных неврологических расстройств, в том числе:

  • СДВГ (синдром дефицита внимания и гиперактивности);
  • Различные зависимости;
  • Расстройство аутистического спектра;
  • Инсульт;
  • Опухоли головного мозга;
  • Церебральный паралич;
  • Синдром Дауна;
  • Эпилепсия;
  • Рассеянный склероз;
  • Болезнь Паркинсона;
  • Шизофрения;
  • Радикулит;
  • Нарушения сна.

Последние важные открытия в области нейронауки

  • Ученые открыли систему навигации мозга. В 2005 году нейробиологи обнаружили в энторинальной коре «решетчатые» клетки, которые играют важную роль в том, как животные отслеживают свое положение в пространстве, что является фундаментальным для выживания.
  • Оптогенетика.3 Открытие в 2005 году оптогенетического метода активации нейронов светом, предоставило нейробиологическим лабораториям незаменимый способ изучения роли нейронов в развитии заболеваний или поведении.
  • Научное подтверждение эффективности когнитивно-поведенческой терапии (КПТ).4 Мета-анализ более 100 исследований 2012 года представил сильную доказательную базу для когнитивно-поведенческой терапии. Было обнаружено, что КПТ особенно хорошо помогает при тревожных расстройствах, соматоформных расстройствах, булимии, проблемах с контролем гнева и общем стрессе.
  • Изучение гематоэнцефалического барьера. В 2015 году нейробиологи детально изучили строение гематоэнцефалического барьера человека, который представляет собой сеть клеток, защищающих мозг от остальных частей тела. Хотя барьер предотвращает попадание вредных токсинов из кровотока в ткани мозга, он также затрудняет доставку лекарств в мозг.
  • Нейроимпланты с искусственным интеллектом. Нейронные имплантаты могут изменять электрическую активность мозга, помогая восстановить функции в областях мозга, поврежденных в результате травмы или неврологического расстройства. В 2017 году исследователи создали прототип нейронного имплантата на основе искусственного интеллекта в нанометровом масштабе, который может замещать утраченные нейронные связи у пациентов с заболеваниями головного мозга.
  • Интерфейсы мозг-компьютер как технология неврологической реабилитации. В 2017 году человек с параличом нижних конечностей Родриго Хюбнер Мендес стал первым человеком, который управлял гоночным автомобилем Формулы 1 (F1) силой мысли благодаря считыванию мозговых волн. Это стало возможным благодаря сочетанию интерфейса мозг-компьютер (BCI) и неинвазивной технологии ЭЭГ. Хюбнер Мендес носил наушники EMOTIV EPOC + EEG, а бортовой компьютер переводил его мысли в команды для управления автомобилем.

Как нейронаука может объяснить поведение и работу мозга?

Нейронаучные исследования мозга

Нейронаука – это быстро развивающаяся область науки, и большая часть исследований, как уже было отмечено, направлены на изучение функции и структуры мозга, понимание фундаментальных принципов его работы, формированию мотивации и поведения человека и животных, сна. 

Нейронаука и сон

Сон традиционно изучается как с медицинской, так и с психологической точки зрения. Начиная с 1900-х годов, по мере становления нейронауки, ученые все больше внимания стали уделять изучению сна. Сон является критически важным для нормального функционирования нервной системы человека и животных. 

Нейронаука сна изучает процесс засыпания, структуру сна, фазы, патологические нарушения сна и способы их лечения. 

Для оценки нарушений сна существует специальный метод – «полисомнография» или исследование сна с помощью ЭЭГ. Исследование проводится, когда пациент спит, в это время фиксируются различные параметры жизнедеятельности (ЧСС, ЧДД, насыщение крови кислородом) параллельно с записью ЭЭГ.

Нейронаука и человеческая мотивация

Многие нейронаучные исследования направлены на изучение регуляции мотивационного поведения за счет различных биологических и психологических механизмов, обеспечивающих работу головного мозга, а также нарушение его функций. 

На биологическом уровне мотивация является фундаментальным элементом нашего взаимодействия с окружающем миром. Для всех животных мотивация направлена на удовлетворение своих базовых потребностей, необходимых для выживания. На психологическом уровне ряд факторов может повлиять на то, будет ли животное мотивировано для удовлетворения своих основных потребностей или нет. Например, неврологические расстройства, такие как депрессия и шизофрения, или такие заболевания, как зависимость, нарушают мотивацию.

Направления нейронауки для дальнейших исследований

Медитация 

Исследования воздействия медитации на мозг стали актуальны в конце 20-го и начале 21-го веков благодаря появлению ЭЭГ. На сегодняшний день исследования такого рода выявили, что медитация влияет на функции разных областей мозга, на мозговое кровообращение и обмен веществ, и кроме того способствует снижению стресса и тревоги.

Было показано, что длительная медитация способствует улучшению памяти как у молодых здоровых, так и у пожилых людей. Достижение сосредоточения во время медитации можно рассматривать как своеобразный тренинг для мозга. 

Депрессия

➥ Основная статья: Депрессия

Фундаментальные исследования во всех направлениях нейронауки и открытие новых антидепрессантов произвели революцию в нашем понимании механизмов, лежащих в основе депрессии, включая психологические травмы, генетику, стресс и другие заболевания. На данный момент считается, что молекулярной основой депрессии является моноаминергическая система, но необходимо также учитывать вклад других систем мозга и вклад механизмов регуляции работы центральной нервной системы

Исследователи также используют различные методы нейровизуализации, например, фМРТ или ПЭТ, чтобы понять, как депрессия влияет на функции различных областей мозга.

Зависимость

Исследования5 в нейронауке за последние 30 лет показали, что зависимость является хроническим заболеванием мозга. Зависимость разрушает систему связей между нейронами, участвующих в процессах мотивации и вознаграждения. Нейронаука изучает биологические, социальные и культурные факторы, которые способствуют появлению зависимости и злоупотреблению психоактивными веществами.

Музыка

Нейронаука стремится понять нейронные механизмы, участвующие в когнитивных процессах восприятия, исполнения и сочинения музыки.

Было проведено множество независимых исследований в данной области. Например, исследовали то, как музыка способствует восстановлению памяти у субъектов, страдающих деменцией или болезнью Альцгеймера.

Память

➥ Читайте подробнее: Виды памяти

Память включает сложные когнитивные и нейронные процессы. На данный момент уже существует фундаментальное понимание того, каким образом мозг кодирует, полученный нами опыт. Новые воспоминания формируются при образовании новых связей между нейронами. Гиппокамп и парагиппокамп создает долговременные воспоминания из краткосрочных событий. Миндалевидное тело преобразует эмоции в наш жизненный опыт.

Сознание

В нейронауке одной из актуальных научных проблем является вопрос изучения и понимания сознания. Большинство нейроученых в попытке решить его исходят из двух допущений:

  • сознание – природный феномен, не нарушающий никаких фундаментальных законов физики;
  • сознание является продуктом биологической эволюции.

Данные допущения являются фундаментальными для естественнонаучных исследований сознания. Помимо этого, для решения проблемы сознания необходимо решить две принципиальных проблемы: это расширение нашего понимания работы мозга и выявления отличий сознания, как явления, от других процессов, протекающих в нашем мозге.

Области нейронауки

Поскольку нейронаука – это междисциплинарное направление, современные исследования и разработки можно разделить на множество различных направлений. 

ДисциплинаОписание
Вычислительная нейронаука
(англ. Computational neuroscience)
Вычислительная нейронаука использует теоретический анализ, компьютерное моделирование и математические модели для изучения работы нейронов от молекулярного уровня до целого мозга.
Клеточная нейронаука
(англ. Cellular neuroscience)
Изучает морфологию и физиологию нейронов.
Клиническая нейронаука
(англ. Clinical neuroscience)
Направление, изучающее механизмы, лежащие в основе нарушений и заболеваний нервной системы. Включает неврологию и психиатрию.
Когнитивная нейронаука
(англ. Cognitive neuroscience)
Изучает биологические механизмы, лежащие в основе познания. Когнитивная нейронаука опирается на лингвистику, психологию и когнитивистику.
Культурная нейронаука
(англ. Cultural neuroscience)
Изучает взаимное влияние между деятельностью мозга и культурной средой, окружающей индивида.
Молекулярная нейронаука
(англ. Molecular neuroscience)
Изучает роль отдельных молекул, генов и белков в функционировании нервной системы на молекулярном уровне. 
Нейроанатомия
(англ. Neuroanatomy)
Изучает анатомию нервной системы.
Нейробиология
(англ. Neurobiology)
Изучает биологические основы структуры и функционирования нервной системы.
Нейровизуализация
(англ. Neuroimaging)
Дисциплина, которая использует различные методы визуализации для того, чтобы изучить структуру головного мозга и процессы, протекающие в нем.
Нейрогенетика
(англ. Neurogenetics)
Изучает генетические основы развития и функционирования нервной системы.
Нейроинженерия
(англ. Neural engineering)
Использует инженерные методы для исследований, лечения и совершенствовании нервной системы. Входит в биомедицинскую инженерию.  
Нейроинформатика
(англ. Neuroinformatics)
Подраздел биоинформатики, который включает в себя сбор данных из всех направлений нейронауки, обмен, публикацию и хранение информации, анализ и моделирование.
Нейролингвистика
(англ. Neurolinguistics)
Изучает как нейронные механизмы осуществляют лингвистические процессы в головном мозге.
Нейромаркетинг
(англ. Neuromarketing)
Это новый раздел маркетинга, в котором используются медицинские технологии, например, электроэнцефалография, для изучения реакции мозга на маркетинговые стимулы.
Нейропсихология
(англ. Neuropsychology)
Изучает основы мозговой организации высших психологических функций. Является смежной дисциплиной между психологией и нейробиологией.
Нейрофизика
(англ. Neurophysics)
Изучает функции нервной системы и органов чувств, процессы передачи и обработки информации в головном мозге и его взаимодействие с другими частями тела.
Нейрохимия
(англ. Neurochemistry)
Изучает как химические процессы влияют на работу нервной системы.
Нейроэкономика
(англ. Neuroeconomics)
Междисциплинарная область, которая стремится объяснить процесс принятия решений человеком, способность предугадывать варианты событий и следовать определенному плану действий. 
Нейроэтика
(англ. Neuroethics)
Изучает влияние нейронауки на развитие биомедицины, мозг и сознание человека, социальные, этические и правовые сферы жизнедеятельности человека
Нейронаука эмоций
(англ. Affective neuroscience)
Изучает нейронные механизмы, формирования эмоций. В большинстве случаев исследования проводят на животных.
Палеонейробиология
(англ. Paleoneurobiology)
Область, которая объединяет методы, используемые в палеонтологии и археологии для изучения эволюции мозга.
Поведенческая нейронаука
(англ. Behavioral neuroscience)
Поведенческая нейронаука (также известная как биологическая психология, физиологическая психология, биопсихология или психобиология) - это применение принципов биологии к изучению генетических, физиологических и эволюционных механизмов поведения людей и животных. 
Системная нейронаука
(англ. Systems neuroscience)
Изучает межнейронные взаимодействия, образующие нейронные пути, цепи и более крупные сети мозга.
Социальная нейронаука
(англ. Social neuroscience)
Изучает и реализует биологические концепции для понимания социальных процессов и поведения.

 

В чем разница между нейронаукой и психологией? Как нейронаука связана с психологией?

По определению нейронаука – это изучение химических, биологических и анатомических факторов, которые влияют на функционирование мозга, в то время как психология изучает закономерности возникновения, развития и функционирования психической деятельности человека. Исследования в области психологии и нейронауки позволяют получить более полное понимание того, как мозг влияет на психику человека и наоборот. Ученые все еще продолжают изучать то, как мозг участвует в формировании личности, поведения и эмоций у людей.

Неврология против нейронауки

Нейронаука занимается изучением нервной системы, а неврология – ее лечением. Неврология – это область медицины, которая специализируется на центральной, периферической и вегетативной нервной системе. Неврологи – это врачи, которые диагностируют и лечат неврологические заболевания и расстройства.

Краткая история нейронауки

Самые ранние исследования нервной системы относятся к Древнему Египту. Трепанация черепа уже тогда использовалась с целью лечения травм головы, психических расстройств или снятия внутричерепного давления. 

После свой вклад в становление нейронауки внесли древние философы. До 400–300 лет до нашей эры сердце считалось источником сознания. Гиппократ и Платон оспаривали это, представляя мозг как источник ощущений и интеллекта.

В начале 1800-х годов французский физиолог Жан Пьер Флуранс впервые применил экспериментальную абляцию (хирургическое повреждение мозга) и первым доказал, что разум локализован в мозге, а не в сердце. Флуранс наблюдал эффекты, вызванные удалением различных частей нервной системы.

Врач Луиджи Гальвани открыл животное электричество в конце 1700-х годов, став одним из первых, кто изучал электрические сигналы от нервной и мышечной тканей. Ряд ученых в конце 19 века сделали первые шаги в области исследований биоэлектрической активности мозга: Эмиль дю Буа-Реймон продемонстрировал электрическую природу нервного сигнала, Герман фон Гельмгольц измерил скорость нервного импульса, а Ричард Катон и Адольф Бек наблюдал электрическую активность полушарий головного мозга кроликов, обезьян и собак.

Камилло Гольджи разработал метод окрашивания (теперь известный как окрашивание по методу Гольджи) для визуализации нервной ткани под световым микроскопом. Этот метод был использован Сантьяго Рамоном-и-Кахалем и привел к формированию нейронной теории – концепции, согласно которой нервная система состоит из отдельных клеток. Гольджи и Рамон-и-Кахаль позже получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1906 году.

Пол Брока, Джон Хьюлингс Джексон и Карл Вернике в конце 1800-х годов внесли свой вклад в гипотезу нейробиологии о «локализации функций», которая предполагает, что определенные части мозга отвечают за определенные функции.

Первое официальное использование термина “Нейронаука” может быть датировано 1962 годом в “Программе нейронаучных исследований” Фрэнсиса О. Шмитта, которая была организована Массачусетским Технологическим институтом. Нейронаука была официально признана академической дисциплиной в 1960-х годах. Дэвид Риоч, Фрэнсис О. Шмитт, Джеймс Л. Макгоу и Стивен Куффлер были одними из первых, кто интегрировал нейронауку в биомедицинские исследовательские институты и основал исследовательские программы и новые направления в нейронауке.

Организации

Крупнейшей профессиональной организацией в области нейронауки является Society for Neuroscience (SFN), которое базируется в Соединенных Штатах и объединяет ученыих из множества других стран.

Другие крупные организации, занимающиеся нейронаукой, включают Международную организацию исследований мозга (International Brain Research Organization, IBRO) и Федерацию европейских нейронаучных обществ (Federation of European Neuroscience Societies, FENS), которая проводит встречи в разные европейские города каждые два года. FENS состоит из 32 организаций национального уровня, включая Британскую ассоциацию нейроученых, Немецкое общество нейрологии (Neurowissenschaftliche Gesellschaft) и Французское общество нейронаук. Первое  National Honor Society в области нейронауки, Nu Rho Psi, была основана в 2006 году. Также существуют многочисленные молодежные общества нейронауки, которые поддерживают студентов, выпускников и начинающих исследователей, например, Project Encephalon. 

В 2013 году в США была объявлена программа BRAIN. В 2017 г. была создана Международная программа по изучению мозга, в настоящее время включает более семи программ по исследованию мозга на национальном уровне (США, Европа, Институт Аллена, Япония, Китай, Австралия, Канада, Корея, Израиль) на четырех континентах.

ЭЭГ и нейронаука

В нейронаучных исследованиях для анализа мозга часто используются методы нейровизуализации и наиболее распространенным является электроэнцефалография (ЭЭГ). ЭЭГ – это электрофизиологический метод, посредством которого проводится регистрация электрической активности мозга. Нейробиологи могут анализировать данные, полученные при записи ЭЭГ, для изучения когнитивных процессов, лежащих в основе человеческого поведения. Например, когнитивисты6 использовали ЭЭГ для отслеживания изменений активности мозга в ответ на различные стимулы.

Помимо этого возможности метода ЭЭГ позволили сформироваться таким направлениям как потребительская нейронаука или нейромаркетинг (нейробиологический маркетинг), которые изучают реакцию потребителей на тот или иной продукт.

Клиническая ЭЭГ и нейронаука

Клиническая ЭЭГ используется в нейронауке для диагностики и мониторинга пациентов с эпилепсией, инсультом или другими расстройствами, когда применение других методов связано с трудностями (например, пациенты с кардиостимуляторами или металлическими протезами не могут пройти МРТ-исследования). ЭЭГ в виде нейрокомпьютерного интерфейса также используется при реабилитации людей, страдающих параличом или двигательными расстройствами. Клиническая ЭЭГ может использоваться для оценки нарушений сна.

Преимущества ЭЭГ для нейронаучных исследований

  • По сравнению с функциональной магнитно-резонансной томографией (фМРТ), ЭЭГ имеет очень высокое временное разрешение, что позволяет регистрировать миллисекундные изменения в активности мозга. Что позволяет очень точно сопоставить мозговую активность с изменениями в окружающей среде;
  • ЭЭГ является неинвазивным методом. Для сравнения, электрокортикография требует нейрохирургического вмешательства для размещения электродов непосредственно на поверхности мозга;
  • По сравнению с методами поведенческого тестирования, при помощи ЭЭГ можно зафиксировать процессы, которые не проявляются внешне при изучении субъекта, а происходят только в мозге. Это также можно использовать, когда испытуемый обездвижен;
  • Анализ сна при помощи ЭЭГ может указывать на важные аспекты процессов развития и функционирования мозга;
  • ЭЭГ является безопасным методом исследования. 

Footnotes

  1. Neuroscience definition
  2. Neurobiology definition
  3. Deisseroth K. Controlling the brain with light. Sci Am. 2010 Nov;303(5):48-55. doi: 10.1038/scientificamerican1110-48.
  4. Hofmann SG, Asnaani A, Vonk IJ, Sawyer AT, Fang A. The Efficacy of Cognitive Behavioral Therapy: A Review of Meta-analyses. Cognit Ther Res. 2012 Oct 1;36(5):427-440. doi: 10.1007/s10608-012-9476-1.
  5. Nora D. Volkow, , M.D. ,  Maureen Boyle, , Ph.D.  Neuroscience of Addiction: Relevance to Prevention and Treatment.  Journal Article, 2018, American Journal of Psychiatry, p. 729-740, doi: 10.1176/appi.ajp.2018.17101174.
  6. Rami N. Khushaba, Chelsea Wise, Sarath Kodagoda, Jordan Louviere, Barbara E. Kahn, Claudia Townsend, Consumer neuroscience: Assessing the brain response to marketing stimuli using electroencephalogram (EEG) and eye tracking, Expert Systems with Applications, Volume 40, Issue 9, 2013, Pages 3803-3812, ISSN 0957-4174, doi: 10.1016/j.eswa.2012.12.095.