Нейронные связи в мозгу: как перестроить мозг за два месяца — Личный опыт на vc.ru

Содержание

как перестроить мозг за два месяца — Личный опыт на vc.ru

Мозг привык идти по простейшему пути и сохранять старые привычки. Но есть способы его перехитрить.

{«id»:70935,»url»:»https:\/\/vc.ru\/life\/70935-marshrut-66-kak-perestroit-mozg-za-dva-mesyaca»,»title»:»\u041c\u0430\u0440\u0448\u0440\u0443\u0442 66: \u043a\u0430\u043a \u043f\u0435\u0440\u0435\u0441\u0442\u0440\u043e\u0438\u0442\u044c \u043c\u043e\u0437\u0433 \u0437\u0430 \u0434\u0432\u0430 \u043c\u0435\u0441\u044f\u0446\u0430″,»services»:{«facebook»:{«url»:»https:\/\/www.facebook.com\/sharer\/sharer.php?u=https:\/\/vc.ru\/life\/70935-marshrut-66-kak-perestroit-mozg-za-dva-mesyaca»,»short_name»:»FB»,»title»:»Facebook»,»width»:600,»height»:450},»vkontakte»:{«url»:»https:\/\/vk. com\/share.php?url=https:\/\/vc.ru\/life\/70935-marshrut-66-kak-perestroit-mozg-za-dva-mesyaca&title=\u041c\u0430\u0440\u0448\u0440\u0443\u0442 66: \u043a\u0430\u043a \u043f\u0435\u0440\u0435\u0441\u0442\u0440\u043e\u0438\u0442\u044c \u043c\u043e\u0437\u0433 \u0437\u0430 \u0434\u0432\u0430 \u043c\u0435\u0441\u044f\u0446\u0430″,»short_name»:»VK»,»title»:»\u0412\u041a\u043e\u043d\u0442\u0430\u043a\u0442\u0435″,»width»:600,»height»:450},»twitter»:{«url»:»https:\/\/twitter.com\/intent\/tweet?url=https:\/\/vc.ru\/life\/70935-marshrut-66-kak-perestroit-mozg-za-dva-mesyaca&text=\u041c\u0430\u0440\u0448\u0440\u0443\u0442 66: \u043a\u0430\u043a \u043f\u0435\u0440\u0435\u0441\u0442\u0440\u043e\u0438\u0442\u044c \u043c\u043e\u0437\u0433 \u0437\u0430 \u0434\u0432\u0430 \u043c\u0435\u0441\u044f\u0446\u0430″,»short_name»:»TW»,»title»:»Twitter»,»width»:600,»height»:450},»telegram»:{«url»:»tg:\/\/msg_url?url=https:\/\/vc.ru\/life\/70935-marshrut-66-kak-perestroit-mozg-za-dva-mesyaca&text=\u041c\u0430\u0440\u0448\u0440\u0443\u0442 66: \u043a\u0430\u043a \u043f\u0435\u0440\u0435\u0441\u0442\u0440\u043e\u0438\u0442\u044c \u043c\u043e\u0437\u0433 \u0437\u0430 \u0434\u0432\u0430 \u043c\u0435\u0441\u044f\u0446\u0430″,»short_name»:»TG»,»title»:»Telegram»,»width»:600,»height»:450},»odnoklassniki»:{«url»:»http:\/\/connect.

ok.ru\/dk?st.cmd=WidgetSharePreview&service=odnoklassniki&st.shareUrl=https:\/\/vc.ru\/life\/70935-marshrut-66-kak-perestroit-mozg-za-dva-mesyaca»,»short_name»:»OK»,»title»:»\u041e\u0434\u043d\u043e\u043a\u043b\u0430\u0441\u0441\u043d\u0438\u043a\u0438″,»width»:600,»height»:450},»email»:{«url»:»mailto:?subject=\u041c\u0430\u0440\u0448\u0440\u0443\u0442 66: \u043a\u0430\u043a \u043f\u0435\u0440\u0435\u0441\u0442\u0440\u043e\u0438\u0442\u044c \u043c\u043e\u0437\u0433 \u0437\u0430 \u0434\u0432\u0430 \u043c\u0435\u0441\u044f\u0446\u0430&body=https:\/\/vc.ru\/life\/70935-marshrut-66-kak-perestroit-mozg-za-dva-mesyaca»,»short_name»:»Email»,»title»:»\u041e\u0442\u043f\u0440\u0430\u0432\u0438\u0442\u044c \u043d\u0430 \u043f\u043e\u0447\u0442\u0443″,»width»:600,»height»:450}},»isFavorited»:false}

163 483 просмотров

Если бы вы увидели меня несколько недель назад в обычное утро четверга, вы задумались бы, все ли со мной в порядке. Я начинал улыбаться ни с того ни с сего и не мог остановиться. Прилив удовлетворения был слишком большим. Наконец-то получилось. Мои многолетние попытки окупились.

Отчего такая эйфория? С глубоким удовлетворением я поставил значок «X» в календаре, что означало, что я закончил 66-й день моей новой утренней рутины: чтение, упражнения и медитация.

Чем отличается 66-й день от остальных? Исследователи обнаружили, что среднее время, необходимое для формирования новой привычки, составляет 66 дней.

Мне нравилось связывать свой проект с Керуаком, поэтому я решил сделать своей целью 66 дней — построить свой собственный нейронный Маршрут 66.

Это был непростой путь. Он был больше похож на попытку научиться писать левой рукой: выполнимо, но мучительно.

Однажды я возвращался с выступления на мероприятии, которое проходило в четырех часах езды от моего дома. После долгого изнурительного дня общения с совершенно незнакомыми людьми я заполз в машину и отправился домой. Въезжая на подъездную дорожку в 23:45, я внезапно вспомнил, что в утренней спешке не проделал новую рутину.

Если я не лягу спать, чтобы сделать это, завтра я не высплюсь, потому что должен выступить на раннем утреннем вебинаре, к которому еще не подготовился. Я сидел, уставившись на свой руль — все соседи вокруг крепко спали — и понимал, что нужно сделать ужасный выбор. Пропустить один день (может, я смогу сделать это завтра?) или сделать что-то иррациональное — проглотить горькую пилюлю и прямо сейчас выделить час на чтение, упражнения и медитацию.

Хотя исследования показывают, что пропущенный день не обязательно означает провал по внедрению привычки, выяснилось, что лично для меня это так. Выбившись из накатанной колеи, мне сложно в нее вернуться.

Зная это, я напомнил себе: чтобы действительно привить себе привычку, нужно проделывать эту процедуру каждый день, не задумываясь, первые 66 дней. Поэтому я проделал всю рутину, а затем потащился спать в 1:15 ночи.

Я старался применять науку о мозге для формирования привычек, которые приносят счастье, сосредоточенность и производительность. В этой статье я расскажу, что узнал и как вы можете пройти через сложный путь изменения привычек: преодолеть инерцию старых привычек и установить новые.

Революция нейропластичности

Одно из самых революционных открытий, сделанных за последние несколько десятилетий, заключается в том, насколько пластичен наш мозг. До этой смены парадигмы ученые думали, что мозг не изменяется после примерно 25 лет. Это не так: наш мозг постоянно обновляется. Завтра у вас будет другой мозг, не такой, как сегодня. И это происходит на протяжении всей жизни. В одном исследовании, в котором участвовали люди 57-72 лет, ученые обнаружили, что их мозг создает от 500 до 1000 новых нейронов в одном только гиппокампе каждый день.

Так почему нам так сложно даются изменения, если мозг так легко изменить? Почему нам нужно так долго повторять что-то, прежде чем это становится привычкой?

Умный мозг/глупый мозг

Я ненавижу сообщать плохие новости, но ваш мозг одновременно и умен, и глуп. Ключ в том, чтобы научиться использовать умный мозг, чтобы перехитрить глупый.

Иными словами, основная задача вашего мозга — сохранить вас в безопасности. Ему нравится знать, что будет дальше, он любит предсказывать будущее. Таким образом, мозг всеми силами поддерживает статус-кво не потому, что это полезно для вас, а потому, что он предсказуем. Изменение, с точки зрения мозга, может означать опасность. (Это его глупая часть.) Нет, никакой реальной опасности нет. Но ваш мозг этого не знает (и, честно говоря, его это не волнует). В нейронной логике его операционной системы заложена тенденция сохранять вещи неизменными. Если вы не убедите его в том, что изменения, которые вы пытаетесь осуществить, действительно имеют важное значение.

Как же это сделать? Тут и выходит на первый план «делать, не задумываясь».

Если я хоть однажды позволю себе пропустить занятия, чуствуя себя истощенным, то, естественно, я всегда буду думать об этой лазейке — лазейке, которая часто становится пропастью. С другой стороны, если я скажу себе, что нет никаких исключений, я буду искать возможности проделать необходимое раньше в тот же день (мой мозг не любит ложиться спать в 1:15 еще больше, чем я). Со временем ежедневная (а иногда иррациональная — например, моя утренняя рутина в полночь) последовательность убеждает мозг в том, что у него есть новая задача — чтобы новая деятельность происходила каждый день.

Последовательность — это ключ

Я пытался тренироваться на протяжении многих лет. Вы знаете — то начну, то брошу. Не то чтобы у меня не было светлых полос. Были. Как, например, 7-минутная тренировка по NYTimes, прямо перед тем, как принять душ. Или время, когда я отправлялся на прогулку сразу после пробуждения.

Но у меня всегда были проблемы с постоянством. После успешных двух недель я неизбежно выбиваюсь из колеи. Затем я возвращаюсь, потом снова выпадаю, снова возвращаюсь… словом, вы поняли. После нескольких витков я выдыхался. Это не было движение по спирали вверх, это был бег по кругу. С каждым разом двигаться дальше оказывалось все труднее и труднее. Почему я не могу набрать достаточный импульс, чтобы выдержать значимые изменения?

Проблема была не в мотивации. Не в недостаточном старании. Не в том, что цель была слишком сложной (в какой-то момент я пытался делать 30-секундную планку вместо целой тренировки). Все было куда проще. Я не делал то, что нужно, последовательно в течение достаточного количества дней подряд.

Мой новый утренний распорядок был частью более масштабного годового квеста по перестройке моего мозга — и я знал, что этот год будет другим, и мне нужно серьезно отнестись к тому, насколько упрям мой мозг.

Почему сложно формировать новые привычки

Оказывается, в мозге много энергии — ему просто не нравится ее использовать. На нейронном уровне это буквально форма метаболической энергии (или способность нейронов многократно вспыхивать).

Как утверждает Даниэль Койл в его блестящей книге «Код таланта», мозг скупо накапливает свою силу. Представьте, что дядя Скрудж стоит перед хранилищем, полным энергии — со своим этим угрюмым лицом, — и вы получите полную картину. Старые привычки — это всегда более простая и менее энергоемкая программа для мозга. Имея возможность выбора, мозг всегда предпочтет более легкий вариант.

Заметьте, я сказал, что ваш мозг любит придерживаться старых, а не «вредных» привычек. Вашему мозгу на самом деле нет дела до привычек. Неважно, хороша или плоха старая привычка — его логика более проста. Мозг заботит только то, насколько легко или сложно запустить нейронную программу.

Если вы запускаете программу месяцами или годами, это легко — она становится программой по умолчанию. Если программа работает всего несколько дней, это сложно — поэтому вам нужно приложить больше усилий, чтобы Скрудж открыл хранилище.

Но как только вы убедите его открывать хранилище, скажем, 66 дней подряд, у вас появляется новая программа по умолчанию. То, что раньше было трудным, становится простым. То, что раньше требовало усилий, дается легко. Скрудж изменил свое отношение.

От грунтовых дорог до супер-автомагистралей

Другая проблема с мозгом заключается в том, что ему нравится двигаться по пути, где ездят чаще всего. Дайте ему выбор, и он всегда выберет «нейронную автостраду». Представьте, что вы едете по пустыне Невада — ничего, кроме полыни на много миль вокруг.

А теперь представьте, что вы хотите добраться из Лас-Вегаса в Лос-Анджелес. Магистраль I-15 — это, конечно, самый быстрый маршрут, и вы, вероятно, выберете его. Теперь представьте, что вы пристегиваетесь и едете через полынь. Что происходит со скоростью машины? На чем сейчас сосредоточено ваше внимание? Это более приятно или менее? Цель по-прежнему Лос-Анджелес. Вы просто используете менее эффективный маршрут. Вы доберетесь туда? Конечно. (Если у вашей машины полный привод.) Это займет больше времени и будет более мучительно? Определенно.

Но если вы будете ездить по менее популярной дороге день за днем, снова и снова проезжая по одному и тому же клочку пустыни, в конце концов останутся следы от колес. Возможно, ваша скорость вырастет не сильно, но хотя бы… до 15 миль в час.

Теперь представьте, что вы не единственный, кто там ездит. Сотни — а может быть и тысячи — автомобилей снова и снова ездят по одной и той же земле. В конечном итоге получится грунтовая дорога. Теперь вы можете увеличить скорость до 30 миль в час.

Чем больше скорость, тем больше автомобилей, вероятно, захотят использовать этот маршрут, и вскоре по одной и той же грунтовой дороге ездят десятки тысяч автомобилей. Теперь мы привлекли внимание Министерства транспорта Невады.

Очевидно, что если существует достаточный спрос на альтернативный маршрут в Лос-Анджелес (основанный исключительно на частоте использования), кажется логичным, что следует инвестировать в него больше ресурсов. Вскоре министерство решает проложить дорогу. Теперь автомобили могут развивать скорость до 60 миль в час на этой дороге. Серьезный прорыв.

Но что, если там слишком много машин? Что делать, если по этой дороге каждый день ездят сотни тысяч автомобилей, и там образуются пробки? В этом случае будет вложено еще больше ресурсов, и дорога станет автострадой с несколькими полосами движения.

Какое отношение все это имеет к процессу формирования привычек? Прямое. Ваш мозг — не что иное, как сложная взаимосвязанная система нейронных колес, грунтовых дорог, двуполосного шоссе и автодороги с шестью полосами движения.

Каждый день ваш мозг пытается решить, куда направить свои запасы ресурсов. Он распределяет эти ресурсы в зависимости от того, какие области мозга более активны. Новая утренняя рутина? Отлично! Отправить подкрепление. Привычная дорожная ярость? Здорово! Усилить схемы гнева. Негативный внутренний разговор? Супер! Новым нейронам нужны негативные беседы. Медитация? Замечательно! Укрепление префронтальной коры. Ваш мозг решает, куда вложить энергию, в зависимости от использования. Нейробиологи называют этот феномен «нейропластичностью, зависящей от активности» — области, которые используются, получают усиление.

Есть множество способов перестройки мозга. Первый называется «нейрогенез», или выращивание новых клеток. Помните те 500–1000 новых нейронов в вашем гиппокампе каждое утро? Они должны куда-то отправиться, и мозг распределяет их по требованию.

Другой способ изменения мозга — это нейропластичность, причудливое слово, означающее способность мозга перестраиваться. Если вы будете снова и снова использовать определенную часть своего мозга — точно так же, как мышцы, — сформируется конкретный путь, а другие, недостаточно используемые пути ослабнут.

Нейропластичность принимает много форм, но одна из наиболее интересных — это создание миелиновой оболочки (или миелина для краткости). Миелин работает как своего рода изоляция для нервных путей, помогая нейронным сигналам проходить быстрее и эффективнее в областях, которые получают много трафика.

Миелин, сделанный из жировой ткани, которая обволакивает самую длинную часть нейрона (аксон), подобен тротуару, который позволяет обеспечить скорость. Чем больше слоев миелина, тем быстрее передаются сигналы вашего мозга. Чем быстрее распространяются эти сигналы, тем быстрее вы думаете и тем легче реализовать привычку.

Скорость нервной проводимости можно измерить. Хотя измеренное значение зависит от ряда факторов, в значительной степени на него влияет миелиновая «изоляция». Слабоизолированный нейрон движется со скоростью около 2 миль в час. Полностью изолированный нейрон — около 200 миль в час. И если этого недостаточно, миелин также может уменьшить количество времени между нейронными вспышками до 30 раз. Это большой потенциал. Как же получить доступ к нему? Бросайте вызов мозгу, выбирая непопулярную нейронную дорогу. Снова. И снова. И снова.

В те моменты в прошлом, когда я выбивался из колеи, мой мозг просто хотел вернуться на удобную нейронную дорогу, где не было упражнений. Поскольку тренировки не были моей программой по умолчанию, каждый раз, когда я начинал ездить по «нейронной грунтовой дороге», мой мозг протестовал. Но с долей упрямства день за днем я возвращался на грунтовую дорогу — и, как, несомненно, добавил бы поэт Роберт Фрост, это все изменило. Откуда я это знаю?

Через 66 дней на меня смотрело вот это.

Объявляя о своем прогрессе, ставя «X» напротив каждой части моей утренней рутины (включая четвертый квадратик, который означал сообщения партнеру по ответственности), я день за днем создавал визуальные доказательства, которые превращались в уверенность, мотивацию и импульс, необходимые мне для продолжения пути.

Мой бег по кругу наконец-то превратился в восходящую спираль. Я придерживался этой привычки — и теперь она у меня закрепилась.

Моя система отслеживания, однако, была лишь внешним подтверждением более глубокой внутренней истины — внешним отражением внутренней трансформации. Несмотря на то, что это было невидимо для глаз, я был дизайнером проекта нейронного строительства. Моя утренняя рутина фактически изменила и укрепила нейронные магистрали в моем мозге, которых раньше там не было. Я был не просто дизайнером привычек. Я был нейронным архитектором.

Но это был не просто труд, который помог зафиксировать новую привычку. Еще три аспекта имели принципиальное значение.

Как построить свой нейронный Маршрут 66

Теперь вы понимаете первостепенную значимость последовательности. Но понимать это и делать — разные вещи.

Вот три тактики для поддержки постоянства, которые я использую, и советы по их самостоятельной реализации.

1. Избавиться от двусмысленности

В моем мозге (как и во всех других) есть внутренний адвокат, который любит снимать меня с крючка. Как я перехитрил его на этот раз?

Я избавился от любой двусмысленности. Для этого я определил свой план в черно-белых тонах — чтобы не было места для умственной фальсификации.

Например, я не просто сказал себе, что буду выполнять три элемента утренней рутины в течение часа, я точно определил, сколько времени выделяется на каждый: 30 минут на чтение, 20 минут на тренировку и 10 — на медитацию.

Я также устанавливал таймер, когда принимался за каждый элемент, и не останавливался, пока он не срабатывал. Это может показаться незначительным моментом, но мозг усердно работает, чтобы избавиться от ненужных усилий. Установка внешних отметок (таких, как таймер) помогает мозгу поддерживать честность и сохранять цель кристально четкой.

Цель должна быть конкретной. Определите ее в измеряемых терминах, таких как время, расстояние, повторения и т. п.

Определившись со значениями, составьте план измерения и постарайтесь сделать это частью своего обычного графика.

2. Укрепите привычки планами «если… то»

Еще один важный момент — создание планов «если/то», чтобы укрепить мою решимость в критические моменты.

Поскольку моя новая привычка касалась утреннего распорядка, то проблема возникла с ночным графиком. Я обычно ложился спать на час позже, чем хотел. Почему? Потому что часто я был слишком уставшим, чтобы выделить 10 минут на чистку зубов и надеть пижаму. Вместо этого мой мозг, как зомби, выбирал более простой вариант — например, бездельничать или сидеть в соцсетях.

Решение? Планы «если… то».

Психолог Питер Голлвитцер обнаружил, что удивительно простой план «если… то» может автоматизировать поведение — и благодаря этому в трудную минуту легче принять правильное решение. С планом «если… то» вы эффективно «заранее решаете», что будете делать в той или иной ситуации до того, как она случится. Если ______, то _______.

Каков был мой план «если… то», чтобы ложиться спать пораньше? Если подходит время сна моей 5-летней дочери, то я отправляюсь чистить зубы/надевать пижаму до начала сказок на ночь. Как только она засыпает, я без промедления иду прямо в кровать и отыгрываю тот час, который потерял раньше.

Хотя я не планировал это заранее, я мог бы использовать план «если… то» в тот день, который я почти пропустил: если я вернусь домой после напряженного дня и пойму, что не выполнил программу, то напомню себе, что последовательность — ключевое для меня в формировании привычки, и сделаю рутину в любое время дня.

3. Добавьте «партнера по пластичности»

Еще одним решением для меня было добавление ответственности.

Я долгое время сопротивлялся этому. Я думал, что смогу сам справиться. Но тот факт, что друг ждал моего ежедневного отчета о выполнении всех частей распорядка, добавил мне рвения в выполнении задачи.

Почему «партнер по пластичности», а не партнер по ответственности? Потому что для меня слово «ответственность» кажется тяжелым. Но что еще более важно, мне нравится идея, что другой человек помогает мне не только придерживаться привычки, но и перестраивать мозг!

На пути к переменам

Для меня изменение поведения сводилось к тому, чтобы делать что-то тяжелое в течение 66 дней.

Ваша привычка может занять немного меньше или немного больше времени. Но главной была готовность смотреть на полынь моей новой привычки, стискивать зубы и делать это снова и снова. Как сказал однажды отец американской психологии Уильям Джеймс:

«Приобретая новую привычку или отказываясь от старой, нужно опираться на максимально сильную и решительную инициативу… Никогда не допускайте исключений, пока новая привычка не будет надежно закреплена в вашей жизни. Каждое отклонение — все равно что бросить клубок, который вы так тщательно сматывали. Один пропуск стоит больше, чем то количество оборотов, которые вам придется совершить снова».

Измененить причину поведения так сложно не потому, что мы не можем измениться. Это потому, что мы не умеем этого… пока.

Да, изменить свои привычки сложно в начале — без вопросов. Но как только ваша нейронная супермагистраль построена, игра изменяется. То, что когда-то было болезненным, теперь приносит радость. То, что когда-то было трудным, теперь — раз плюнуть. То, что когда-то едва давалось, теперь происходит автоматически. И нет лучшего чувства, чем оглядываться на свою супермагистраль и знать, что она появилась не случайно. Она была создана по собственному замыслу.

Статьи по теме

Как тренировать мозг и не дать себе деградировать в любом возрасте — объясняет Наталья Бехтерева из Института мозга человека РАН

Как тренировать мозг и поддерживать нейропластичность?

Когда я была подростком, моя бабушка Наталья Петровна Бехтерева рассказывала, что никогда не пользуется ежедневниками, потому что тренирует мозг. Когда ей было 80 лет, она освоила компьютер и интернет. Если вы все время решаете задачу одним и тем же образом, то при столкновении с новой будете не готовы ее решить – вы будете применять или старые знания, то есть пытаться открыть замок не нужным ключом, а тем, который у вас уже есть. Или просто спасуете. В тоже время жизнь ставит перед нами все новые задачи — для успешной адаптации важно поддерживать нейропластичность головного мозга. Наверняка, большинство из вас занимается спортом, а поддержание нейропластичности, как показывают исследования — это такой же спорт, но для мозга.

  • Заботьтесь о здоровье в целом и занимайтесь спортом

Для формирования новых нейронных связей и для профилактики деградации важно, чтобы ваш организм и головной мозг находились в ресурсном состоянии. Сложно развиваться, делать что-то новое, включать осознанность, если ваше физиологическое состояние неудовлетворительно. Как бы это банально не звучало, крайне важно правильно питаться, достаточно спать – 7-9 часов по рекомендации National Sleep Foundation, особенно после 40 лет, (сон важен для эффективной работы памяти и эффективного обучения), употреблять достаточное количество воды, и получать достаточное количество кислорода – проветривать помещение и гулять на свежем воздухе. Это необходимые элементы для хорошей работы мозга. Так же за последнее время проведено множество исследований, которые говорят о том, что 20-25 минут физической нагрузки в день благоприятно влияют на нейропластичность. Это происходит за счет нормализации уровня гормона кортизола. При стрессе он, напротив, повышается и негативно сказывается на нейропластичности.   

  • Не бойтесь сложных задач

Для тренировки нейропластичности мозга следует самостоятельно ставить перед собой новые интересные цели — например, старайтесь брать в работу не только привычные задачи, которые фактически делаются вами на автопилоте, а такие решение которых потребует находить новые пути.

  • Разнообразьте привычную рутину

Самый простой и доступный совет — ищите новые маршруты для привычной дороги домой и на работу, находите новые любимые места в городе. Я много лет назад взяла за правило регулярно пробовать новые блюда – как в ресторанах, так и дома.

  • Слушайте новую музыку

Чаще всего мы слушаем привычные треки, потому что можем с помощью них испытать знакомые эмоции. Здесь тоже работает механизм привычных нейронных связей — любимые песни становятся хорошим способом войти в ресурсное энергетическое состояние. Это отличный механизм, однако стоит искать баланс и осмыслять новые музыкальные композиции.

  • Ищите новых друзей и знакомых

Конечно же, здорово, когда есть друзья, с которыми все просто и понятно. Важно уметь расслабиться и вести себя в компании близких привычных образом. Однако в выстраивании близких отношений тоже важно соблюдать баланс. Социальные инструменты, заложенные в нас, очень сильно влияют на образ мышления. Иногда бывает так, что мы, под влиянием тех или иных людей, меняем точку зрения, набор интересов, видим то, что было для нас недоступно и получаем массу новых впечатлений.  

Ученые показали на видео мозг с 20 млн синапсов — Российская газета

Ученые Google и Исследовательского кампуса Джанелия в Вирджинии опубликовали необычный снимок.

На нем изображен мозг — сложнейшая система во многократном увеличении, он выполнен в высоком разрешении. На карте несчетное количество структурных связей мозга — 20 миллионов синапсов, соединяющих около 25 000 нейронов.

И это только треть мозга крохотной плодовой мушки. Что тогда говорить о карте мозга человека, до которого наука коннектомика, изучающая структурные связи мозга, еще не добралась. Если мозг плодовой мухи содержит 100 000 нейронов, то мозг человека — около 86 миллиардов нейронов.

Коллеги американских ученых утверждают, что реконструкция представляет собой техническое чудо, но практического значения ни она, ни сама наука коннектомика не имеют, поскольку пока не привели к каким-либо значимым открытиям. На что Джошуа Фогельштейн, биомедицинский инженер и соучредитель проекта Open Connectome, сказал, что эта работа будет благом для ученых.

«Промежуток времени между внедрением хорошей технологии и фактической наукой, использующей эту технологию, часто составляет приблизительно 15 лет. Теперь мы можем начать заниматься наукой».

Интересно, как создавалась эта карта. Сначала мозг плодовой мухи размером с зернышко мака нарезали на кусочки толщиной не более 20 микрон. Затем визуализировали с помощью сканера электронного микроскопа. Полученные данные содержат около 50 триллионов трехмерных пикселей. И наконец зафиксировали маршрут каждого из 20 миллионов синапсов с помощью гарнитур виртуальной реальности и специального программного обеспечения и составили 3D-карту — на что, по информации компании Google, ученым потребовалось два года и сотни тысяч часов кропотливого труда.

Клетки взаимопонимания – Огонек № 45 (5590) от 18.11.

2019

«Эмоциональный интеллект», пожалуй, самая модная фишка этого года. Тренинги для высокопоставленных менеджеров, школы — для совсем маленьких, новые требования при приеме на работу — сегодня без «эмоционального интеллекта» никуда. А все началось с открытия зеркальных нейронов, которое сделали в 90-х годах прошлого века итальянские ученые под руководством профессора Джакомо Риццолатти. Это они обнаружили в мозге человека особые клетки, которые заставляют нас понимать других людей и сопереживать им

Погоня! Напряженная музыка. Беглец пытается уйти от преследования — с крыши на крышу, оттуда — прыжок — и он уже на козырьке подъезда, еще прыжок — он ныряет в автомобиль, по газам! Наше сердце стучит как бешеное, хотя мы вообще-то смотрим фильм, сидя на диване. Сами того не понимая, как это получается, мы ощущаем то, что происходит с другим человеком. Виновники этого — зеркальные нейроны.

Все мы учили в школе, что человека человеком сделал труд, речь и сложный путь эволюционного развития. Но, как выяснили ученые, в какой-то момент этой самой эволюции в нашем мозге появился изумительно тонкий механизм, который в значительной мере помог нам обрести человечность — в самом широком ее понимании.

Профессор Марко Якобони — крупнейший современный нейробиолог и один из пионеров в изучении зеркальных нейронов, объясняет «Огоньку»:

— Зеркальные нейроны свидетельствуют о способности к эмпатии, то есть к сопереживанию, и это заложено в людях на уровне механизмов работы мозга. Это замечательная новость, ведь в последнее время многие ученые отстаивали точку зрения, что человек — всего лишь развитое животное, которое борется за выживание, что он эгоистичен и зациклен на себе. Но мы обнаружили в головном мозге систему, существование которой предполагает, что эволюция снабдила нас особым механизмом. В примитивном виде он есть и у других живых существ, но в таком совершенном — только у людей: мы можем сочувствовать. Один из крупнейших нейрофизиологов современности — Вилейанур Рамачандран — назвал зеркальные нейроны системами, которые определили цивилизацию.

Само открытие зеркальных нейронов произошло в 90-е годы прошлого века. Долгое время считалось, что зеркальные нейроны располагаются в премоторной коре головного мозга, в так называемой зоне F5. В начале этого века профессор Якобони доказал, что зеркальных нейронов намного больше, чем ученые думали раньше, и «разбросаны» они по всей коре головного мозга. С каждым новым экспериментом фиксировалась активность и в других зонах — нижней теменной доле, островке, миндалинах, зоне Брока, лобной долях.

— Сначала мы обнаружили зеркальные нейроны среди клеток, отвечающих за хватательные движения,— говорит Марко Якобони.— А потом — в клетках, связанных с проявлением радости и выражением грусти. Это говорит о том, что механизм зеркального отражения — очень мощный и пронизывает все наши социальные взаимодействия. Таким образом, представление о человеке как об эгоистичном животном в корне неверно. На самом деле способность к эмпатии, переживанию за другого — часть нашего «устройства».

Происхождение отзывчивости

Как же ученые пришли к открытию, дающему всем нам повод думать о себе гораздо лучше? В 90-х годах группа итальянских ученых, изучая деятельность мозга у макак, обнаружила: когда они выполняли хватательные движения, в определенной части мозга у них наблюдалась активность. Точнее, некоторые клетки были особенно активны. И это в общем-то было вполне предсказуемо. Но каково же было удивление ученых, когда они увидели: эти клетки реагируют точно так же, если обезьяна всего лишь видела, как кто-то другой совершает такое действие.

— В какой-то мере наше открытие было сделано случайно,— вспоминает в беседе с вашим корреспондентом профессор и «папа» зеркальных нейронов Джакомо Риццолатти.— Так родилась гипотеза об особых нейронах, которую позже подтвердили дальнейшие исследования. Эти нейроны были названы зеркальными (от англ. mirror neurons.— «О»), так как «включались», когда их хозяин видел некое действие, которое мог бы делать сам. Точнее, в мозге наблюдателя и исполнителя включались одни и те же нейронные сети, что и вызвало аналогию зеркала.

Сегодня знания о зеркальных нейронах применяются очень широко — от клинической психологии до двигательной реабилитации в неврологии, от спортивной психологии и до психиатрии, от тренингов личностного роста, с которых мы начали, до новых требований при приеме на работу. «Эмоциональный интеллект» внесли в набор так называемых soft skills (гибких навыков), обеспечивающих высокую производительность сотрудников.

Кодируй это

Нейроны — это особая клетка, которая может передавать электрический или химический сигнал. В организме они служат для передачи, обработки и хранения информации. Такие клетки есть в мозгу или же являются частью нервной системы. Внешне они представляют собой крошечное тело со множеством отростков, по которым и передается информация в виде электрических импульсов. Большое скопление нейронов принято называть нейронной сетью.

— Скорее всего между обычными нейронами и зеркальными внешних отличий нет,— говорит нам профессор Якобони.— Мы не знаем это наверняка, потому что пока не можем одновременно наблюдать за нейронами и за тем, как они кодируют информацию. «Зеркальными» их делает способность кодировать действие, которое мы совершаем, и действие, которое совершают другие люди, за которыми мы наблюдаем.

После того как открытие было сделало на обезьянах, начались эксперименты с добровольцами. Эксперименты подтвердили: и в мозге человека, как и в мозге обезьяны, срабатывает «зеркалка». Когда испытуемые видели актера, который брал в руки яблоко, то и в их головах, и в голове актера активизировались одни и те же точки.

Интересно, кстати, что люди именно «отзеркаливают» действие, а не повторяют его один в один. Исследования профессора Якобони показали: нейроны «сочувствия» наиболее активны именно при зеркальном повторении действия, а не при анатомическом (учитель и ученики поднимают одну и ту же правую руку). Оказалось, так для мозга проще! Для анатомического повторения ему потребовалось бы задействовать большее число отделов мозга. Дальнейшие эксперименты показали, как происходит понимание того, что собирается сделать кто-то другой (ну, например, положить яблоко в корзину). Тут срабатывали другие цепочки зеркальных нейронов, которые, похоже, позволяют нам строить догадки и предположения.

Исследование зеркальных нейронов показало: они что-то вроде тренажера, который помогает нам понимать действия и намерения другого человека, внутренний тренер, который обучает наши эмоции с помощью имитации действия и эмпатии.

Кстати, вы ошибаетесь, если думаете, что зеркальные нейроны есть лишь у людей и обезьян.

— Подобные нейроны есть у некоторых видов певчих птиц, у грызунов и летучих мышей,— говорит профессор Риццолатти.— Теоретически можно предположить их наличие у других животных, которые используют мимикрию в различных ее формах или же обучают выживанию потомство. Но лидером по количеству зеркальных нейронов остается человек.

Поделись улыбкою своей


Для современных и сложных аппаратов мозг уже не загадка

Фото: BSIP / DIOMEDIA

Легко на сердце от песни веселой? А все потому, что кино и музыка активно передают нам эмоции, создают и поддерживают настроение, которое мы переживаем как собственный опыт. Если вы думали, что излишняя эмоциональность — это ваш талант, то нет, это просто отличная работа нейронных связей.

Довольно быстро в ходе экспериментов стало ясно: нейроны могут зеркально отображать не только действия, но и эмоции. Зеркальные нейроны сигналили о боли, если человек только наблюдал, как кому-то причиняют болевые ощущения. А что касается эмпатии, то человеку тут нет равных! Когда добровольцам показали фотографии, лица на которых выражали разные эмоции — злость, отвращение, радость и т.д., нейронные связи в мозге сработали моментально. Вплоть до того, что мы готовы повторить гримасу на фотографии! Проявления эмоций другого человека понятны мозгу, и мы подсознательно настраиваемся с человеком на одну волну.

— Кстати, у женщин в эмоциональной сфере задействовано больше зеркальных нейронов, чем у мужчин,— делится наблюдением профессор Риццолатти.— Это одна из причин, почему они чаще склонны к сочувствию. В результате эксперимента, когда участникам показывали состояния страдания и болевых ощущений, выяснилось: нейронный отклик у женщины больше, нежели у мужчин. Видимо, причину нужно искать в эволюционных условиях, когда мать проводила с малышом много времени, помогая тому не только изучать мир, но и развиваться эмоционально — реакция матери на разные события помогала ребенку научиться адекватно воспринимать мир.

Но человек не так прост. Сплошь и рядом мы улыбаемся, когда на душе скребут кошки, и бодримся, когда для того нет никаких оснований. Как же реагирует на это наш мозг?

— Зеркальные нейроны достаточно «умны», чтобы заметить несоответствие между чувствами и действиями,— объясняет профессор Якобони.— Они вполне могут отразить и то, и другое. Но если в обычном случае наши эмоциональные области мозга активируются легко (кто-то улыбнулся нам, мы улыбнулись ему в ответ), то в ситуации, когда действия и чувства несовместимы, требуются особые усилия.

Вообще, для этого наука придумала специальное обозначение — термин «чужое сознание» или «понимание чужого сознания». Он обозначает способность видеть психическое состояние другого с его надеждами, эмоциями, намерениями или желаниями. Но понимаем-то мы оттого, что примеряем этот опыт на себя, фактически «отражаем» его. Это очень важно для человеческого социума и взаимодействия между людьми. А еще это знание применяется для обучения актерскому мастерству, чтобы актер мог войти в образ героя и вести себя как он.

Взять себя в руки

— Для человека чрезвычайно важны сознание и воля,— поясняет профессор Риццолатти.— Ведь именно они способны подавлять чувства, которые возникают из-за хорошей работы зеркальных нейронов. Иначе бы мы были рабами эмоций и просто не могли себя контролировать.

То есть важную роль в нашем поведении играет общество и его нормы: если принято быть сдержанным, то это будет прививаться и воспитываться, если на первое место ставится успех, то личными отношениями можно пренебречь. Человек сам может себя мотивировать быть другим или менять усилием воли.

Со временем оказалось, что «научение» новому тоже напрямую связано с работой зеркальных нейронов. Их открытие в какой-то мере подтвердило две существующие теории о происхождении языка. Первая предполагает, что сначала язык развивался как жестовый с небольшим количеством звуковых обозначений, а позже звуковые сигналы вытеснили жесты. Вторая теория утверждает, что язык изначально был связан со звуками, потому что части мозга, ответственные за речь у человека и других животных, включая приматов, различаются. Обучаясь языку, ребенок учится подражать звукам и движению губ, интуитивно подстраивая свой речевой аппарат.

Получается, что скромная деятельность зеркальных нейронов, благодаря которой стало возможно появление речи, была одним из важнейших факторов в эволюции человека.

Однако не все функции зеркальных нейронов равно полезны для человека.

— Люди, бывшие свидетелями проявлений агрессии, как правило, сами начинаю вести себя агрессивно,— уточняет профессор Якобони.— Это говорит нам о том, что имитация играет большую роль в их поведении. Или, например, наркоманы, которые успешно проходят реабилитацию. Если они продолжали контакты с пьющими или употребляющими наркотики людьми, то чаще возвращались к употреблению психоактивных веществ.

С другой стороны, именно такое замечательное свойство мозга, как его податливость, или, как это называют ученые, «гибкая нейронная пластичность» (англ. malleability neural plasticity), позволяет исправлять пороки. То есть, грубо говоря, человека можно научить на примере — как на плохом, так и на хорошем. Так что правильность поговорки, вроде «яблоко от яблони недалеко падает», подтверждается наукой.

Сигнал без ответа

У человека могут быть нарушены нейронные связи — например, это может быть следствием инсульта, который часто приводит к повреждению части мозга. Если кровоизлияние было в левой части мозга, то человеку трудно понимать действия окружающих.

— Если нейроны целы, но нарушена их работа, то их можно запустить заново, заставив их снова «отражать»,— говорит профессор Риццолатти.— Тогда пациенту показывается действие, которое он должен повторить, чтобы восстановить функцию или работу конечности.

Этот новый способ восстановления, разработанный после открытия зеркальных нейронов, получил название «терапия действия-наблюдения» (англ. action-observation therapy). В основном ее применяют для больных, переживших инсульт, но не только. Хорошие результаты «терапия действия-наблюдения» дает после снятия гипса и реабилитации травмированного органа. Результат — больной начинает ходить быстрее, хромота пропадает раньше, чем при обычных условиях восстановления.

Но есть и иные причины повреждения нейронных связей — генетические заболевания, психические отклонения и аутизм. Известно, что дети с аутизмом часто не могут понять действия окружающих или их чувства, построить свою цепочку действий самостоятельно. По мнению профессора Якобони, эти проблемы можно связать с недостаточной работой зеркальных нейронов. Дело может быть и в малом количестве зеркальных нейронов и — или — в снижении их активности и способности к отклику. Сам профессор склоняется в пользу последней гипотезы.

— Думаю, что у нас есть возможность восстановления для детей с аутизмом, но только если начать работу в раннем возрасте,— говорит профессор Риццолатти.— Если ребенок не может понять эмоции людей вокруг, то стоит проявить их усиленно, пусть даже и сентиментально, чтобы он мог их отличить и «отразить». Как пример: маме следует много разговаривать с ребенком, прикасаясь к нему. Так малыш поймет, что в данный момент внимание обращено к нему и, следовательно, речь тоже. Это будет развивать как моторные, так и эмоциональные навыки. С ребенком важно много играть, но только в те игры, где победа будет не за одним из игроков, а на стороне обоих — только если они объединят усилия, сделают что-то вместе, то смогут выиграть. Малыш поймет играючи, что доверять другому не страшно.

Для профессора Риццолатти практическое применение полученные знания о зеркальных нейронах нашли в медицине и реабилитации пациентов с болезнью Альцгеймера, инсультом и другими заболеваниями, когда больной не может двигаться. Эта терапия активно применяется и развивается в Германии и Италии.

А что касается перспектив, то ключевым направлением профессор Якобони видит изучение того, как зеркальные нейроны взаимодействуют с другими социальными компетенциями (в том числе и «эмоционального интеллекта»). Выходит: зеркальные нейроны в каком-то смысле сделали нас теми, кто мы есть на самом деле. И если вас спросят, с чего начинается человек, смело отвечайте — с зеркальных нейронов…

Валентина Пахомова


Работа мозга при депрессии — iFightDepression [RU]

Есть шесть основных секторов головного отвечающих за психические функции:

1 мышление или познание

2 восприятие

3 эмоции или регулирование чувств

4 восприятие окружающей среды

5 физическое или соматическое регулирование

6 поведенческое  или социальное регулирование

Когда мозг не работает надлежащим образом, одна или более из этих функций будет нарушена, что проявится  конкретными признаками и симптомами. При депрессии поражается эмоциональная регуляция, и все остальные функции страдают из-за симптомов болезни.

Эмоции, настроение, мысли, восприятие и поведение связаны с деятельностью нервных клеток в нашем мозге. Мозг состоит из более чем 1 млрд нервных клеток (нейронов), организованных в сложные нейронные сети. Информация передается как электричество от каждого нейрона к следующему нейрону (синапсы). Нейроны расположены не непосредственно рядом друг с другом. Существует разрыв между двумя нейронами (синаптическая щель), сообщение в которой происходит через специальные передатчики – «нейротрансмиттеры».

Когда электрический сигнал поступает на  нервную клетку, это вызовет высвобождение нейромедиаторов в синаптической щели. Эти медиаторы возбуждают соседний нейрон передовая на него информацию. Кроме того, регулярно повторяющиеся нейронные связи закрепляются гормонально под воздействием белка, который называется нейротрофический фактор мозга.

Здоровый мозг имеет адекватный уровень нейротрофического фактора и постоянно закрепляет новые связи нейронов. Как будто информационные пути постоянно строятся и ремонтируются. Именно по этим путям проходят сигналы в виде различных эмоций, мыслей и поведения.

О психическом расстройстве можно говорить тогда, когда функционирование мозга ухудшается. Это выражается в симптомах, приводящих к изменениям в  повседневной жизни человека, его возможности общаться с другими людьми, семьёй, проблемами в школе и на работе.

Психические расстройства, такие как депрессия, описаны в международных классификациях болезней, таких как североамериканское Диагностическое и Статистическое руководство (DSM) и Международная классификация болезней (МКБ). На основе этих классификаций, врачи и другие медицинские работники находят взаимопонимание в определении и оценке депрессии и других психических расстройств.

Депрессия, как и другие психические расстройства, обусловлена сложным комплексом генетических и экологических факторов. Нельзя сказать, что психические расстройства обусловлены только генетически или только культурально, как правило, это комбинация  факторов.

Магнитный микроробот доставит нейроны в мозг

Перемещение микроробота по матрице с размещенными на ней кластерами нейронов (светлые квадраты)

Hongsoo Choi et al. / Science Advances, 2020

Ученые из Южной Кореи сконструировали микроскопического робота, который управляется внешним магнитным полем и доставляет в изолированные in vitro ткани гиппокампа крысы культивированные нейроны. Это позволяет избирательно соединять и заново запускать нейронные сети, связи в которых ранее были нарушены. Технология потенциально способна помочь в контроле над ростом клеток в поврежденном мозге, в том числе человеческом. Об этом сообщается в журнале Science Advances.

Изучение нейронных связей и активности клеток очень важно для понимания различных функций мозга — от сенсорной обработки и механизмов памяти до сложных поведенческих шаблонов. Все они целиком зависят от соответствующих нейронных сетей, поэтому ученые давно ищут эффективные способы манипулирования ими. Это помогло бы в самых тонких деталях понять процессы, протекающие в нервной ткани, разобраться, как отдельные клетки общаются между собой и в конечном итоге — научиться устранять связанные с таким общением заболевания. До сегодняшнего дня, однако, подобные эксперименты удавалось проводить исключительно на мозговых органоидах и в культурах тканей вне тел живых организмов.

Сейчас для изучения работы нейронных сетей и попыток проконтролировать рост нейронов широко используются химические, физические или механические способы контроля за клеточными связями. Например, некоторые исследователи практиковали способ создания с помощью химических методов сигнального паттерна роста будущих нейронов. Однако такой подход не может обеспечить высокую точность и низкую травматичность манипуляций с клетками: из-за этого доставить новые клетки к особо сложным участкам не получится. На помощь в осуществлении этих методов с недавних пор пришли микророботы с магнитным приводом.

Ученым из Института науки и технологии города Тэгу во главе с Чой Хонгсу (Hongsoo Choi) удалось сконструировать трехмерного робота на магнитном управлении, который помогает с высокой точностью доставить необходимые живые клетки в целевую область нервной ткани. Сам робот — это прямоугольная микрочастица, которая изготовлена путем трехмерной лазерной литографии с осажденным на ней слоями никеля (Ni) и диоксида титана (TiO2) для обеспечения одновременно магнитных и биосовместимых свойств материала. Размер частицы — порядка 300 микрометров, что соответствует расстоянию для формирования двухдневного отростка тела нейрона.

По всей длине микроприбора расположены продольные микроканавки, ширина и глубина которых аналогичны линейным размерам самих аксонов и дендритов (примерно пять и два микрометра соответственно). Именно благодаря таким направляющим микроканавкам удается выровнять и направить отростки размещенной на роботе клетки к скошенным концам его поверхности, где они должны быть заново соединены. В результате происходит плавный рост клеток на роботе к окружающей поверхности ткани.

Схема размещения микроробота между двумя нейронными кластерами

Hongsoo Choi et al. / Science Advances, 2020

В ходе эксперимента на поверхности многоэлектродной полупроводниковой матрицы высокой плотности, которая отслеживает аксональные сигналы, ученые разместили нейронные кластеры клеток гиппокампа крысы с зазором в 200 микрометров. Туда же посадили микроробота, который несет на себе выращенные донорские клетки: перемещение устройства контролировали при помощи восьми электромагнитных катушек, которые создают напряжение магнитного поля в 20 микротесла с частотой 1,2 Герца. 

Поскольку структура самого робота неоднородна по составу, электромагнитные манипуляции позволяют точно выровнять его между двумя нейронными кластерами в зависимости от приложения магнитного поля, и таким образом обеспечить соединение между ними. Именно в этом месте впоследствии и сформируется нужная нейронная связь. Кроме того, сигналы, поступающие на матрицу, дают возможность идентифицировать образованные нейронные сети без дополнительного микроскопического наблюдения. Это позволяет контролировать уровень нейрональной активности клеток до, во время и после манипуляции с роботом.

Ученые также показали, что само движение робота в клеточной среде никак не влияло на жизнеспособность клеток. По сравнению с контролем, где донорские нейроны были размещены на плоской поверхности между двумя кластерами клеток и демонстрировали случайное распределение и направление роста аксонов и дендритов, отростки на роботе прорастали исключительно вдоль микроканавок и восстанавливали функциональные связи в строго отведенном месте.  

Используя методы визуализации происходящих клеточных процессов (в частности, конфокальную имунофлюоресценцию), ученым удалось подтвердить, что размещенные на микророботе клетки действительно демонстрируют выровненный рост аксонов и нормальное восстановление синаптических связей между нейронными кластерами. При этом, ученые наблюдали восстановление нормальной морфологии нейронной сети при полной жизнеспособности культивированных клеток.

Необходимо отметить, что предыдущие эксперименты уже демонстрировали возможность совместимости подобных микророботов с эмбриональными клетками человеческой почки, мезенхимальными стволовыми клетками, стволовыми нервными клетками гиппокампа человека и некоторыми другими. Это позволяет надеяться, что в будущем ученым удастся применять  технологию к широкому классу задач. Но лишь сейчас удалось практически показать реальность применимости технологии для первичных нейронов гиппокампа, по крайней мере для культуры клеток in vitro.

Описанный метод доставки донорских клеток исключает необходимость использования инвазивных микропипеток и манипуляторов. Робот с исключительной точностью размещается в физиологической среде, даже в самых крошечных областях ткани-мишени. Он почти не разрушает клетки и, более того, управляется при помощи безвредного слабого источника энергии. А контроль за ростом и направленностью нейронных отростков позволяет выстроить нейронные сети, аналогичные тем, которые можно наблюдать в здоровом мозге. 

Как утверждают авторы статьи, в будущем сам микроробот может быть усовершенствован в зависимости от целей использования. Так, вместо никеля могут применяться наночастицы оксида железа (Fe3O4), которые обладают повышенным сродством с различными типами биологических тканей. 

В целом, методы управляемого формирования нейронных сетей в будущем помогут в создании и внедрении в практику терапевтических средств, направленных на возобновление роста поврежденных аксонов в плохо функционирующих нейронах. Технология также сможет улучшить и общее понимание работы мозга на клеточном уровне.

О том, как микророботу удалось доставить живые клетки в органы мыши, вы можете прочитать здесь, а о микроракете, которую заставили мчаться по кровеносному сосуду, — тут.

Алексей Козлов

Новая теория объясняет формирование синапсов в мозге

Партнер проекта

Мозг человека меняется на протяжении всей жизни. В нем постоянно образуются новые нейронные связи и распадаются неиспользуемые синапсы. Механизм их распада изучен недостаточно. Ученому-нейроинформатику из исследовательского центра Юлиха (Forschungszentrum Jülich) доктору Маркусу Бутцу (Markus Butz) удалось свести процесс формирования новых синапсов в зрительной коре головного мозга к простому гомеостатическому механизму.

Вместе со своим амстердамским коллегой доктором Арйеном ванн Ойеном (Arjen van Ooyen) ученый по результатам эксперимента сформулировал положения новой теории пластичности мозга и скорректировал представление о процессах обучения, а также о лечении травм и заболеваний мозга. Полностью статья о результатах исследований опубликована в журнале PLOS. Основные положения доступны на сайте исследовательского центра.

В мозге взрослого человека между нейронами постоянно образуются новые связи и утрачиваются неактуальные. Однако до последнего времени не было известно, как управляются процессы реорганизации синапсов (мест контакта нейронов друг с другом и другими клетками). Авторы исследования объясняют эти процессы.

Образование новых нейронных связей происходит в силу необходимости сохранения уровня электрической активности.

«Так называемая структурная пластичность мозга, по всей вероятности, является основой для формирования долговременной памяти, — заявляет Маркус Бутц. Не только во время учебы, но и особенно после ампутации частей тела, повреждений мозга или после нейродегенеративных заболеваний или инсульта образуется большое число новых синапсов, чтобы приспособить мозг к изменению реакции на раздражитель».

Согласно исследованию, образование новых нейронных связей происходит в силу необходимости сохранения уровня электрической активности. Если средняя электрическая активность падает ниже определенного значения, нейрон начинает активно искать новые места для контакта. Эти контакты являются основой для формирования новых синапсов, поставляющих дополнительную информацию. Механизм работает и в обратную сторону: как только уровень активности переходит верхнюю границу, количество синапсов уменьшается, избегая превышения уровня возбуждения. Информационный обмен снижается. Подобные формы гомеостатического регулирования встречаются в природе повсеместно, начиная от терморегуляции и заканчивая поддержанием уровня сахара в крови.

Архитектура мозга

Развитие архитектуры мозга ребенка обеспечивает основу для всего будущего обучения, поведения и здоровья.

Мозги строятся с течением времени снизу вверх. Базовая архитектура мозга строится в ходе непрерывного процесса, который начинается до рождения и продолжается во взрослой жизни. Сначала формируются более простые нейронные связи и навыки, за которыми следуют более сложные схемы и навыки. В первые несколько лет жизни каждую секунду формируется более 1 миллиона новых нейронных связей.* После этого периода быстрого распространения связи сокращаются в результате процесса, называемого отсечкой, который позволяет мозговым цепям стать более эффективными.

Архитектура мозга состоит из миллиардов соединений между отдельными нейронами в различных областях мозга. Эти соединения обеспечивают молниеносную связь между нейронами, которые специализируются на различных функциях мозга. Первые годы — наиболее активный период для установления нейронных связей, но новые связи могут формироваться на протяжении всей жизни, а неиспользуемые связи продолжают сокращаться.Поскольку этот динамический процесс никогда не прекращается, невозможно определить, какой процент развития мозга происходит к определенному возрасту. Что еще более важно, связи, которые формируются на раннем этапе, обеспечивают либо прочную, либо слабую основу для связей, которые образуются позже.

Взаимодействие генов и опыта формирует развивающийся мозг. Хотя гены обеспечивают схему формирования мозговых цепей, эти цепи подкрепляются многократным использованием. Основным компонентом этого процесса развития является взаимодействие между детьми и их родителями и другими опекунами в семье или сообществе.В отсутствие отзывчивого ухода — или если ответы ненадежны или неуместны — архитектура мозга не формируется так, как ожидалось, что может привести к неравенству в обучении и поведении. В конечном итоге гены и опыт работают вместе, чтобы построить архитектуру мозга.

Легче и дешевле сформировать сильные мозговые цепи в первые годы жизни, чем вмешиваться или «исправлять» их позже.

Когнитивные, эмоциональные и социальные способности неразрывно связаны на протяжении всей жизни. Мозг — это высоко интегрированный орган, и его многочисленные функции работают в координации друг с другом. Эмоциональное благополучие и социальная компетентность обеспечивают прочную основу для новых когнитивных способностей, и вместе они являются кирпичиками и строительным раствором архитектуры мозга. Эмоциональное и физическое здоровье, социальные навыки и когнитивно-языковые способности, которые появляются в первые годы жизни, важны для успеха в школе, на рабочем месте и в обществе в целом.

Игра «Архитектура мозга» была разработана, чтобы помочь объяснить науку о раннем развитии мозга — что этому способствует, что мешает и каковы последствия для общества.

Токсический стресс ослабляет архитектуру развивающегося мозга, что может привести к пожизненным проблемам в обучении, поведении, а также к физическому и психическому здоровью. Стресс — важная часть здорового развития. Активация стрессовой реакции вызывает широкий спектр физиологических реакций, которые подготавливают организм к борьбе с угрозой. Однако, когда эти реакции остаются активными на высоком уровне в течение значительных периодов времени, без поддерживающих отношений, помогающих их успокоить, возникает токсический стресс.Это может нарушить развитие нейронных связей, особенно в областях мозга, отвечающих за навыки высшего порядка.


* Число «более 1 миллиона новых нейронных соединений в секунду» обновляет более раннюю оценку 700–1000 новых соединений (которая все еще появляется в некоторых печатных публикациях Центра, но по состоянию на апрель 2017 года была обновлена ​​в Интернете и в целом PDF-файлы). Все эти числа являются приблизительными, рассчитанными различными способами, но мы вносим это изменение в наши материалы после тщательного изучения дополнительных данных, на которые мы обратили внимание.Центр глубоко привержен строгому процессу постоянного уточнения того, что мы знаем, и постоянно обязуется обновлять эти знания по мере появления дополнительных данных.

Нейронные связи

Клетки мозга, по-видимому, обладают механизмами, которые действуют как своего рода красный свет, не позволяя нейронам соединяться друг с другом до того, как они будут готовы. Недостатки в этих средствах контроля могут привести к определенным формам умственной отсталости. Слуховые волосковые клетки Дендриты с шипами. Любезно предоставлено Матиасом Де Ру через Wikimedia

, май 2012 г. — Представьте, что существует лекарство, которое может улучшить интеллектуальную функцию у людей с аутизмом или другими когнитивными расстройствами.

Такого лекарства не существует — и перспектива его появления по-прежнему ускользает от нас, — говорит Сет Марголис, доцент кафедры биологической химии. Однако что нового, так это то, что такие исследователи, как Марголис, сейчас серьезно рассматривают научные возможности, которые могут привести к созданию такого препарата. Нейробиологи теперь знают гораздо больше о молекулах и молекулярных путях познания, что такие представления больше не являются пустыми мечтами.

Исследования Марголиса сосредоточены на формировании синапсов, коммуникативных узлах между нейронами. По оценкам, триллионы синапсов мозга позволяют нам каждую мысль и жест. Но они не образуются случайно. «Возникает интересный вопрос: каковы механизмы, которые контролируют эти синапсы, определяют, когда и где они образуются и сколько форм?» — говорит Марголис. Кроме того, «я хочу понять, как генетические мутации или влияние окружающей среды нарушают количество, место или время этих событий, и какую роль эти изменения играют в когнитивном дефиците.

Последствия таких сбоев на самом деле можно визуализировать, как однажды Марголис демонстрирует, вызывая на экране своего компьютера пару изображений. На каждом изображен увеличенный дендрит, один из ответвлений, обнаруженных вокруг тела клетки нейрона. Отдельные нейроны содержат два типа выступов — несколько дендритов и один длинный выступ, называемый аксоном. Нейронная коммуникация происходит, когда электрохимические сигналы передаются по аксону одного нейрона, через синапс и к дендриту второго нейрона.

Однако дендрит — это не просто прямая голая ветвь. Вместо этого по всей длине выступают короткие выступы, как шипы на стебле розы. Эти выступы называются дендритными шипами, и они принимают входящие сигналы, которые проходят по аксону и через синапс.

Два изображения на экране Марголис демонстрируют эту сложную морфологию, но они разительно отличаются. На изображении слева показан здоровый дендрит. Его шипы толстые, короткие и плодовитые, и они появляются примерно через равные промежутки времени.Однако в дендрите справа шипы тонкие, тонкие и редкие. По словам Марголиса, этот дендрит принадлежит младенцу с умственной отсталостью. Он считает, что такие аномалии — слишком мало или слишком много шипов или шипов, которые появляются в неправильном месте или в неправильное время в развитии — являются основным признаком определенных когнитивных расстройств, таких как синдром Дауна, синдром ломкой Х-хромосомы и редкое состояние. называется синдромом Ангельмана. «Я хочу знать, — говорит он, указывая на экран, — какова молекулярная биология этого.

Дендрит с шипами. Источник: Wikimedia

Марголис выдвигает гипотезу о том, что нейроны обладают своего рода «переключателем», который при «включении» способствует формированию дендритного шипа — таким образом, синапса. Кроме того, нейроны содержат «механизмы контрольных точек» или «тормоза», которые предотвращают преждевременное формирование синапсов. «Эти механизмы говорят нейрону:« Не двигайтесь вперед, пока не произойдут определенные события », — говорит Марголис. Он также выдвигает гипотезу, что при некоторых заболеваниях «тормоза» никогда не отпускаются и неуклонно продолжают сдерживать развитие дендритных шипов и синапсов.Результат: меньшее количество и более слабые дендритные шипы.

Одним из таких механизмов контрольных точек, по-видимому, является белок EPHEXIN5, говорит Марголис. Кроме того, одним «переключателем» для создания синапсов, по-видимому, является белок под названием UBE3A. На ранней стадии развития EPHEXIN5 — тормоза — ограничивает образование синапсов. Затем следуют другие молекулярные события, которые активируют UBE3A. После включения UBE3A связывается с EPHEXIN5 и разрушает его, тем самым ослабляя тормоза и позволяя сформироваться синапсу. Исследования на мышах и клетках, проведенные Марголисом во время постдока в лаборатории нейробиолога Майка Гринберга в Гарвардской медицинской школе, подтверждают эту гипотезу.

Но что произойдет, если одна из этих молекул выйдет из строя? Тогда тормоза могут не отпустить, и синапс не образуется.

Марголис подозревает, что такая неисправность возникает при синдроме Ангельмана, который встречается примерно у 1 из 15 000 человек во всем мире и характеризуется задержкой в ​​развитии, нарушениями речи, судорогами и проблемами с ходьбой и равновесием. Люди с синдромом Ангельмана также часто смеются и улыбаются.

В большинстве случаев синдром Ангельмана включает мутацию в гене UBE3A.Эта мутация может помешать белку UBE3A расщеплять EPHEXIN5, говорит Марголис. Используя мышиную модель синдрома, Марголис анализирует взаимодействие этих двух молекул. Вооружившись этими знаниями, он надеется разработать низкомолекулярные препараты, которые компенсируют дефектный белок UBE3A. Например, одним из планов было бы разработать небольшую молекулу, которая ингибирует EPHEXIN5, фактически освобождая тормоза от UBE3A и позволяя прорастать новым синапсам.

«Маловероятно, что такое лекарство вылечит синдром Ангельмана», — говорит Марголис. Но это может улучшить некоторые особенности, возможно, снизив риск судорог или улучшив качество речи пострадавшего. «Синдром Ангельмана может быть одним из первых когнитивных расстройств, которые можно вылечить». Такая возможность, как говорит Марголис, «подталкивает меня вперед».

—Мелисса Хендрикс

Истории по теме:
Сет Марголис о том, что никогда не недооценивает обучающий потенциал неудачного эксперимента

Как клетки вашего мозга разговаривают друг с другом — секреты шепотом и публичные объявления · Границы для молодых умов

Абстрактные

Представьте, что вы хотите рассказать своим друзьям что-то новое; вы можете прошептать это им в уши или громко выкрикнуть.Это скорее похоже на две формы коммуникации, которые происходят в вашем мозгу. Ваш мозг содержит миллиарды нервных клеток, называемых нейронами, которые создают очень большое количество соединений со специализированными частями других нейронов, называемыми дендритами, для формирования сетей. Считалось, что нейроны общаются друг с другом, передавая («шепча») химические сигналы непосредственно через эти соединения, но теперь мы знаем, что они также могут распространять сообщения более широко («публичные объявления»), испуская химические сигналы из других частей тела. нейрон, включая сами дендриты.Если мы поймем, как и какие нейроны общаются друг с другом, у нас будет шанс исправить нарушения в общении, которые могут привести к изменению поведения и расстройствам мозга.

Мы знаем, что человеческий мозг — самая сложная структура. В нем около 80 миллиардов нервных клеток, называемых нейронами . Восемьдесят миллиардов (80 000 000 000)! Это более чем в 10 раз больше нейронов, чем людей, живущих на Земле. Нейроны общаются друг с другом с помощью специальных химических веществ, называемых нейротрансмиттерами .Нейротрансмиттеры похожи на химические слова, отправляющие «сообщения» от одного нейрона к другому. Есть много разных типов нейромедиаторов: некоторые стимулируют нейроны, делая их более активными; другие подавляют их, делая менее активными. Нейроны контролируют буквально все, что вы делаете.

Нейроны — строительные блоки вашего мозга

Нейроны бывают разных форм и размеров, но полезно думать о нейроне как о дереве. Нейрон состоит из трех основных частей: тела клетки, аксона и дендритов (рис. 1).Ствол дерева (тело клетки) хранит генетическую информацию (ДНК) в отсеке, называемом ядром. Тело клетки также содержит химические механизмы для производства нейротрансмиттеров, которые нейроны используют для связи друг с другом.

  • Рисунок 1
  • A. Некоторые нейроны, такие как нейрон особого вида, называемый клеткой Пуркинье, очень похожи на деревья г. до н.э. Нейротрансмиттеры (ключевые), высвобождаемые из окончаний аксона, должны только пересечь очень крошечный промежуток (синапс) D ., чтобы добраться до их рецепторов (замок). Однако, когда они высвобождаются из дендритов, их рецепторы могут находиться далеко, и их необходимо достичь путем диффузии. Изображение ячейки Пуркинье любезно предоставлено Мартой Елитай, Венгрия.

Ветви дерева (дендрит, слово дендрон происходит из греческого языка и фактически означает «дерево») — это части нейрона, которые принимают сигналы. Когда-то считалось, что дендриты похожи на антенны, просто принимающие сигналы от других нейронов, но, как я объясняю, они могут делать больше, чем это.

Корень дерева (аксон) — это структура, используемая нейроном для связи и взаимодействия с другим нейроном. Аксон несет информацию, подобную кабелю, по которому проходит электричество. Когда один нейрон хочет поделиться сообщением с другим, он посылает электрический импульс, называемый потенциалом действия, по своему аксону, пока не достигнет конца аксона на конце аксона. Подумайте об аксонном терминале как о терминале аэропорта. Терминал аэропорта заполнен пассажирами, ожидающими отправления, тогда как терминал аксона заполнен нейротрансмиттерами, ожидающими перехода к следующему нейрону.

В чем разница между проводной и беспроводной передачей?

Когда потенциал действия достигает терминала аксона, некоторые из нейромедиаторов терминала сбрасываются в крошечный промежуток между терминалом и дендритом другого нейрона. Этот промежуток называется синапсом — он настолько крошечный, что измеряется в нанометрах или миллиардных долях метра. Нейромедиатор пересекает синапс и связывается со специализированным участком, называемым рецептором, на другой стороне. Каждый нейромедиатор связывается только со своим конкретным рецептором, так же как ключ подходит только к определенному замку.В зависимости от нейротрансмиттера, он либо стимулирует другой нейрон, либо тормозит, что делает его более или менее вероятным срабатывание собственного потенциала действия. Все это происходит с очень высокой точностью и повторяется снова и снова. Поскольку сигнал передается от одного нейрона к другому с очень высокой скоростью (до 100 м / с или 223 миль в час; быстрее, чем самое быстрое наземное млекопитающее, гепард, который может разгоняться до скорости 29 м / с или 64 миль в час) , этот вид связи между нейронами иногда называют «проводной передачей».Нейротрансмиттеры передают «секреты шепотом» напрямую от одного нейрона к другому; они несут сообщение, которое имеет значение только в определенное время и в определенном месте. Один из способов подумать о «проводной передаче» — это представить себе выключатель света, который включает или выключает определенную лампочку.

Некоторые нейротрансмиттеры, особенно один из них, называемый нейропептидами , различны. Нейропептиды выделяются из многих частей нейрона, включая дендриты. Вместо того, чтобы попадать в крошечный синапс между окончанием аксона и другим нейроном, они попадают в жидкость, заполняющую пространство между нейронами, и диффундируют через мозг, чтобы достичь рецепторов, находящихся на удаленных мишенях.Один из способов подумать о распространении — подумать о том, чтобы пройти через лес (рис. 2). Переходить из одной точки в другую, когда вокруг нет деревьев, было бы очень просто и быстро. Если у вас много деревьев, переход от одной точки к другой займет гораздо больше времени, потому что вы должны обходить деревья. Таким образом, этот тип передачи сигналов намного медленнее, чем передача сигналов в синапсах, но в конечном итоге нейропептиды достигнут большей части мозга. Однако только те области мозга, которые имеют правильные рецепторы, могут реагировать на нейропептиды.Таким образом, высвобождение нейропептидов дендритами, как и Wi-Fi, является беспроводным сигналом — эти сообщения представляют собой «публичные объявления», которые отправляются не от одной клетки к другой, а от одной группы нейронов к другой группе нейронов [1].

  • Рисунок 2
  • Нейропептиды (ключевые) высвобождаются в пространство между нейронами (деревьями) и диффундируют через мозг, достигая рецепторов (замков), которые могут быть на удаленных мишенях. Рассматривайте распространение как путь через лес. Время, необходимое для достижения вашего замка (рецептора), зависит от того, сколько деревьев (других нейронов или клеток) вам нужно обойти.

Окситоцин и вазопрессин могут влиять на поведение с помощью «беспроводной» передачи сигналов

Позвольте мне использовать другой пример. Нейропептиды, окситоцин и вазопрессин, вырабатываются крупными нейронами гипоталамуса , части мозга, которая важна для регулирования многих физиологических процессов в организме. У этих крупных нейронов есть один аксон, который проходит до специализированной железы, гипофиза , который прикреплен к нижней части мозга. Отсюда нейропептиды высвобождаются из окончаний аксонов прямо в кровь.Окситоцин проходит через организм и играет важную роль при родах и грудном вскармливании. Вазопрессин влияет на кровяное давление и регулирует водный баланс организма через почки. Но оба нейропептида также попадают в мозг, где они контролируют несколько типов поведения. Например, окситоцин помогает матери сблизиться с ребенком, а вазопрессин влияет на память и агрессию. Однако области мозга, которые контролируют такое поведение, иногда находятся далеко от клеток, вырабатывающих нейропептиды.В некоторых из этих областей есть нужные рецепторы, но поблизости нет аксонов и окончаний, так что «проводная» передача сигналов окситоцином и вазопрессином невозможна.

Окситоцин и вазопрессин, высвобождаемые из окончаний аксонов в кровь, не могут повторно попасть в мозг из-за странной структуры, называемой гематоэнцефалическим барьером. Подумайте об этом: когда вы заболеете, вы не хотите, чтобы бактерии или вирусы вторглись в ваш мозг! Гематоэнцефалический барьер — это слой клеток, защищающий мозг от патогенов, токсинов и других молекул, циркулирующих в крови.Это предотвращает проникновение захватчиков в мозг.

Однако окситоцин и вазопрессин также высвобождаются из дендритов нейронов непосредственно в мозг. Ученые обнаружили, что высвобождение нейропептидов из дендритов (в мозг) и из окончаний аксонов (в кровь) может происходить независимо. Высвобождение вазопрессина и окситоцина из окончаний аксонов контролируется потенциалами действия, подобными высвобождению нейромедиатора, запускаемому во всех других нейронах.Однако некоторые химические сигналы в головном мозге могут стимулировать высвобождение нейропептидов из дендритов без запускающих потенциалов действия . Производство высвобождения этими различными способами позволяет регулировать эффекты нейропептидов в организме и в головном мозге по отдельности. Например, окситоцин не только оказывает воздействие на организм, например, при родах и грудном вскармливании, но и стимулирует заботу о ребенке и связь — действия мозга. Это гарантирует, что новорожденный получит все, что срочно необходимо: пищу и любовь (рис. 3) [2].

  • Рисунок 3
  • Окситоцин попадает в кровь из аксонов гипофиза (синяя стрелка) и в мозг (белые стрелки) из дендритов нейронов в гипоталамусе (красная область). Окситоцин действует как в теле, так и в головном мозге, обеспечивая ребенку еду (действие окситоцина на тело) и любовь (действие окситоцина на мозг).

Похожи ли нейропептиды на гормоны?

Высвобождение нейропептидов дендритами нейронов очень похоже на высвобождение гормонов в других частях вашего тела.Гормоны — это химические посредники, которые выделяются железами и переносятся кровью к отдаленным клеткам-мишеням. Таким образом, гормоны могут стимулировать клетки, расположенные далеко от желез, в которых они вырабатываются. Есть много разных гормонов, и они выполняют множество различных функций в организме. Например, пролактин, другой гормон, выделяемый гипофизом, попадает в материнскую грудь, где стимулирует выработку молока для грудного вскармливания. Этот процесс «беспроводной передачи сигналов» гормонами подобен передаче сигналов нейропептидами в головном мозге, поэтому нейропептиды можно назвать «гормонами мозга».”

Почему важно понимать передачу сигналов нейротрансмиттера?

Некоторые из расстройств поведения, которые труднее всего поддаются лечению, для которых срочно необходимы новые методы лечения, влияют на поведение, в котором задействованы вазопрессин и окситоцин [3]. Как упоминалось выше, окситоцин участвует в родах, грудном вскармливании и поведении матери по отношению к уходу за ребенком. Но окситоцин также важен для ребенка для развития и поддержания сложных взаимодействий с другими людьми. Некоторые дети с аутизмом часто испытывают трудности с пониманием этих взаимодействий и реагированием на них, и ученые пробуют окситоцин в качестве потенциального лечения (если вы хотите узнать больше об этом, прочтите статью, написанную Даниэлем Кинтана и Гейл Альварес в журнале Frontiers для Онлайн-библиотека Young Minds) [4].

Другие примеры включают расстройства, связанные со стрессом и тревогой, расстройства пищевого поведения, расстройства злоупотребления психоактивными веществами (включая злоупотребление алкоголем) и расстройства сексуального поведения. Это серьезные проблемы со здоровьем, оказывающие значительное влияние на людей. Лучше понимая, как взаимодействуют клетки мозга и нейропептиды, мы можем найти способы контролировать некоторые из этих расстройств и улучшить качество нашей жизни.

Глоссарий

Нейрон : Клетки вашей нервной системы, называемые нервными клетками или нейронами, специализируются на передаче «сообщений».”

Нейротрансмиттеры : Химические вещества, используемые нейронами для общения друг с другом — мы можем думать о них как о «химических словах».

Нейропептиды : Нейромедиатор особого типа. Они влияют на деятельность мозга и тела, например, регулируют уровень энергии человека.

Гипоталамус : Гипоталамус — это область мозга, которая регулирует такие функции, как жажда, аппетит и сон.

Гипофиз : Гипофиз расположен в небольшой костной полости в основании мозга.Это связано с гипоталамусом. Он выделяет гормоны, регулирующие многие виды физической активности.

Гормоны : Гормоны — это особые химические вещества, которые организм вырабатывает, чтобы помочь ему в определенных вещах, таких как взросление и переходный период полового созревания, когда вы начинаете развиваться во взрослого человека. В это время ваше тело загружается гормонами, которые говорят ему, что пора начать меняться.

Аутизм : Многие дети с аутизмом не могут понять, что думают и что чувствуют другие люди.Они могут вести себя необычным образом, и бывает трудно понять, почему они так поступают.

Заявление о конфликте интересов

Автор заявляет, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.


Благодарности

Я хотел бы поблагодарить моих друзей и коллег по работе, которые комментировали рукопись, особенно моих друзей Дэвида и Гарета, которые позаботились о том, чтобы я использовал правильные слова, понятные для детей.Я также хотел бы поблагодарить Марту за изображение клетки Пуркинье.


Список литературы

[1] Людвиг М. и Стерн Дж. Э. 2015. Множественные способы передачи сигналов, опосредованные дендритным экзоцитозом окситоцина и вазопрессина. Филос. Пер. R. Soc. Лондон. B Biol. Sci. 370 (1672): 20140182. DOI: 10.1098 / rstb.2014.0182

[2] Людвиг М. и Ленг Г. 2006. Высвобождение дендритных пептидов и пептидозависимое поведение. Nat. Rev. Neurosci.7: 126–36. DOI: 10.1038 / nrn1845

[3] Нейман, И. Д., и Ландграф, Р. 2012. Баланс окситоцина и вазопрессина в головном мозге: последствия для беспокойства, депрессии и социального поведения. Тенденции. Neurosci. 35: 649–59. DOI: 10.1016 / j.tins.2012.08.004

[4] Кинтана Д. С. и Альварес Г. А. 2016. Окситоцин: как нейропептид меняет наше социальное поведение? Передний. Молодые умы 4: 7. DOI: 10.3389 / frym.2016.00007

Как составить карту мозга

Синапс между двумя нейронами (ганглиозная клетка сетчатки, синий; амакриновая клетка, желтый) в сетчатке мыши, реконструированной для игры по картированию нейронов Eyewire.Предоставлено: Алекс Нортон / Eyewire

.

Апрель 2019 года в Институте исследований мозга Аллена в Сиэтле, Вашингтон. В комнате с пятью просвечивающими электронными микроскопами кружатся три блестящих шара для вечеринок. Воздушные шары должны отметить, что исследователи института достигли последней вехи в попытке отобразить каждый из 100000 нейронов и один миллиард связей или синапсов между ними в кубическом миллиметре мозга мыши — образец размером примерно с зерно. песка.

Микроскопы работали непрерывно в течение пяти месяцев, собирая более 100 миллионов изображений 25 000 срезов зрительной коры головного мозга мыши, каждый толщиной всего 40 нанометров. Затем программному обеспечению, разработанному компьютерными учеными института, потребовалось около трех месяцев, чтобы собрать изображения в единый трехмерный объем. Воздушные шары объявляют размер завершенного набора данных, написав «2 ПБ» (2 петабайта, что эквивалентно 2 миллионам гигабайт) синими и серебряными буквами. Более 30 лет спутниковых снимков Земли, собранных миссиями Landsat, занимают всего около 1.3 петабайта, что делает изображения мозга мыши почти «миром в песчинке», — говорит Клэй Рид, нейробиолог из Института Аллена, цитируя английского поэта Уильяма Блейка.

Проект кубического миллиметра мозга мыши — лишь одна из нескольких попыток различных видов нанести на карту наноразмерный коннектом — электрическую схему нервной системы с деталями на уровне синапсов. Нейробиологи думают, что эти усилия дадут им беспрецедентное понимание того, как нейронные цепи кодируют информацию и управляют поведением, короче говоря, как работает мозг.

До конечного достижения в этой области — создания наноразмерного коннектома всего человеческого мозга — еще далеко. Человеческий мозг имеет 10 15 соединений и содержит примерно столько же нейронов, сколько звезд в Млечном Пути, около 100 миллиардов. Используя современные технологии визуализации, потребовались бы десятки микроскопов, работающих круглосуточно, тысячи лет только для того, чтобы собрать данные, необходимые для такой работы.

Но достижения в области микроскопии, а также разработка более мощных компьютеров и алгоритмов для анализа изображений продвинули область коннектомики вперед со скоростью, удивившей даже тех, кто в ней участвовал.«Пять лет назад думать о кубическом миллиметре казалось слишком амбициозным», — говорит Рид. Многие исследователи теперь думают, что картографирование всего мозга мыши — объемом около 500 кубических миллиметров — станет возможным в следующем десятилетии. И делать это для гораздо большего человеческого мозга становится законной долгосрочной целью. «Сегодня отображение человеческого мозга на синаптическом уровне может показаться невероятным. Но если неуклонный прогресс будет продолжаться, как в вычислительных возможностях, так и в научных методах, еще один коэффициент в 1000 не исключен.

Все мелочи

Наноразмерные коннектомы были созданы у двух видов: нематода Caenorhabditis elegans 1 в 1986 году и личинка морского организма, известного как Ciona Кишечник 2 в 2016 году.

Эти нейронные карты — мощный инструмент веялки. «Существует множество гипотез, которые были опровергнуты электрической схемой C. elegans , — говорит Бобби Кастури, нейробиолог из Аргоннской национальной лаборатории в Лемонте, штат Иллинойс.Если наблюдение за нервной системой или поведением червя можно легко объяснить с помощью электрической схемы, нет необходимости в дальнейших экспериментах; исследователи могут перейти к более плодотворным направлениям исследования. Но когда коннектом не предлагает готового объяснения результатов, он может указать на продуктивные направления исследований для ученых.

Некоторые исследователи сомневаются в фокусе внимания на наноразмерных коннектомах. Огромное количество времени, усилий и денег, которые вкладываются в такие проекты, могут оказаться излишними, говорит Энтони Мовшон, нейробиолог из Нью-Йоркского университета в Нью-Йорке, изучающий зрительную систему.Когда дело доходит до сложного мозга, такого как мозг мышей или людей, «мне не нужно знать точные детали соединения каждой клетки и каждого синапса в каждом из этих мозгов», — говорит Мовшон. «Вместо этого мне нужно знать организационные принципы, которые объединяют их воедино». Он предполагает, что это можно получить с более грубым уровнем разрешения.

Тем не менее, наноразмерный коннектом — это цель, которая захватывает воображение многих ученых. Они говорят, что эта работа может помочь раскрыть истоки психических расстройств и привести к более информированному лечению, а также найти приложения во множестве областей, включая искусственный интеллект и энергоэффективные вычисления.

Распространение проекта

Чтобы нанести на карту наноразмерный коннектом C. elegans , в 1980-х годах исследователи под руководством биолога Сиднея Бреннера из Кембриджского университета, Великобритания, тонко нарезали миллиметровых червей и сфотографировали каждый срез с помощью пленки. камера прикреплена к электронному микроскопу. На полученных изображениях они затем тщательно вручную проследили пути нейронов и связи между ними.

Но C. elegans имеет всего 302 нейрона и около 7600 синапсов.Методы, используемые для создания его коннектома, просто не могли использоваться в более крупных нервных системах. Исследователи серьезно не задумывались о том, чтобы приступить к значительно более крупным проектам до 2004 года, когда физик Винфрид Денк и нейроанатом Хайнц Хорстманн, работавшие тогда в Институте медицинских исследований Макса Планка в Гейдельберге, Германия, предложили использовать автоматический микроскоп для срезания и визуализации мозга и программа для наложения и выравнивания полученных изображений 3 .

Один из крупнейших полных наноразмерных коннектомов, которые будут выпущены, представляет собой примерно 100-микрометровый куб сетчатки мыши, содержащий около 1000 нейронов и 250 000 синапсов.Денк, ныне директор Института нейробиологии Макса Планка в Мартинсриде, Германия, и его сотрудник Мориц Хельмштадтер, содиректор Института исследований мозга Макса Планка во Франкфурте, Германия, опубликовали анализ 4 в 2013 году. -Мозг в кубическом миллиметре будет рассматривать 100 000 нейронов, и другие аналогичные программы также находятся в стадии реализации.

«Кубический миллиметр — это размер, который кажется достаточным, по крайней мере, для нейронов в центре этой песчинки, чтобы получить большую часть своих локальных связей», — говорит Нуно да Коста, нейробиолог из Института Аллена.Таким образом, проект «мозг мыши» позволит ученым исследовать целые локальные цепи, а не отдельные нейроны с разреженной сетью соединений. Работа, проводимая в Институте Аллена, является частью сотрудничества с исследователями из Медицинского колледжа Бейлора в Хьюстоне, Техас, Принстонского университета в Нью-Джерси и Гарвардского университета в Кембридже, Массачусетс, известного как Machine Intelligence from Cortical Networks, которое финансируется правительство США.

Его прогресс заставил некоторых предсказать, что наноразмерный коннектом полного мозга мыши, который, вероятно, будет производить около одного эксабайта (один миллиард гигабайт) данных, может быть нанесен на карту в следующем десятилетии.«Для этого потребуется много лабораторий», — говорит Джефф Лихтман, нейробиолог из Гарвардского университета. «Но это выполнимо, — говорит он, — и это интересно».

Остальные остаются осторожными. «Есть так много логистических проблем» для проекта такого размера, — говорит Стивен Плаза, ученый-компьютерщик из Исследовательского кампуса Джанелии Медицинского института Говарда Хьюза в Эшберне, штат Вирджиния. Он считает, что эта область должна быть нацелена на проекты среднего масштаба, прежде чем заниматься чем-то столь сложным, как мозг мыши.«Мы все еще находимся на стадии обучения коннектомике», — говорит он.

Plaza управляет одним из таких проектов. Он называется FlyEM и направлен на создание коннектома центральной нервной системы плодовой мухи Drosophila melanogaster . Его команда планирует выпустить данные примерно по одной трети мозга D. melanogaster в начале 2020 года. Плаза ожидает, что коннектом всей центральной нервной системы, состоящий из примерно 100000 нейронов и 100 миллионов соединений только в мозгу мухи, плюс такое же количество нейронов и синапсов в вентральном нервном шнуре (примерно эквивалентном спинному мозгу позвоночных) — через несколько лет.

Тем временем Лихтман работает над коннектомом рыбок данио ( Danio rerio ), а также анализирует небольшой фрагмент человеческого мозга — образец медиальной височной извилины, полученный от человека, перенесшего операцию на головном мозге по поводу эпилепсии. Этот кусок также имеет объем примерно один кубический миллиметр, но для того, чтобы охватить всю толщину коры головного мозга человека, образец имеет форму плиты, а не куба.

Денк и его коллеги составляют карту частей коннектома у зебрового вьюрка ( Taeniopygia guttata ), маленькой птицы, чей процесс обучения песне может помочь понять человеческую речь.А у Кастури еще несколько проектов в стадии разработки. «Теперь, когда доступно много данных о схемах мозга мышей, я думаю, что лучший способ сделать это — либо взглянуть на разные виды, либо на развитие», — говорит он. «Лучшая информация будет получена при сравнении этой диаграммы с другими показателями».

С этой целью Кастури стремится отобразить визуальную часть мозга у нечеловеческих приматов, а также у осьминога ( Octopus bimaculoides ). «Вероятно, это существо, которое наиболее чужое для нас, по-прежнему умно, — говорит он об осьминоге.«Итак, мне интересно сравнить проводку этого мозга с проводкой мозга мыши».

Kasthuri также работает над полными коннектомами молодых мышей и осьминогов; Сравнение этих незрелых коннектомов с коннектомами взрослых животных может помочь понять, как мозг учится на собственном опыте. Из-за его небольшого размера он надеется нанести на карту коннектом молодого осьминога примерно за год.

AI spy

Теперь, когда исследователи из Института Аллена закончили визуализацию своего кубического миллиметра мозга мыши, они передали данные Себастьяну Сеунгу, нейробиологу и специалисту по информатике из Принстонского университета.Лаборатория Сына выровняет полученные изображения, а затем аннотирует синапсы и отследит или сегментирует примерно четыре километра нервных волокон, содержащихся в объеме.

Сегментация долгое время была ограничивающим шагом в коннектомике. На то, чтобы вручную проследить путь отдельного нейрона через стопку электронных микрофотографий, могут потребоваться недели. Но теперь в дело вмешивается искусственный интеллект. Команда Сына разработала алгоритм машинного обучения, который может оценивать изображения пиксель за пикселем, чтобы определить расположение нейронов.

Компьютеры могут выполнять сегментацию быстрее, чем человеческий глаз, что сокращает время, необходимое для отслеживания нейронов, до нескольких минут или часов. Но они не так точны: алгоритмы могут упустить биты нейрона или неправильно объединить два нейрона в один. Поэтому люди все еще нуждаются в проверке реконструкции. Сын решает это требование с помощью краудсорсинга и, в частности, онлайн-игры под названием Eyewire, в которой игрокам предлагается исправить ошибки в черновом наброске коннектома.По словам Эми Робинсон Стерлинг, исполнительного директора Eyewire, запущенная в 2012 году, Eyewire насчитывает 290 000 зарегистрированных пользователей, которые вместе приложили усилия, эквивалентные 32 сотрудникам, работающим полный рабочий день в течение 7 лет.

Проект «Развитие человеческого коннектома» направлен на визуализацию нервных волокон в головном мозге новорожденных. Фото: Макс Пич / DHCP

До сих пор игроки отслеживали клетки сетчатки глаза мыши. Они внесли свой вклад в открытие шести типов нейронов, которые игроки назвали в честь древнегреческих божеств.Стерлинг и ее команда готовят новую версию игры под названием Neo, которая будет использоваться с набором данных визуальной коры головного мозга мыши.

Neo основан на программе Neuroglancer, разработанной Google, которая визуализирует плоские черно-белые электронные микрофотографии в виде красочного трехмерного леса нейронов. Многие попытки наноразмерного картирования коннектомов используют эту программу для визуализации данных.

Google также разработал алгоритм сегментации нейронов. Команда, возглавляемая Виреном Джайном из Google AI, в Маунтин-Вью, Калифорния, разработала алгоритм машинного обучения, называемый сетью заполнения наводнения, который строит структуры из точки на изображении, а не пытается определить границы всех нейронов. однажды.«Это немного похоже на то, как человек раскрашивает книжку-раскраску», — говорит Джайн. Его команда применяет эту технику к данным FlyEM и построила черновой вариант коннектома целого мозга мухи, который был визуализирован другой командой в исследовательском кампусе Janelia. Они также работают с данными из лабораторий Денка и Лихтмана.

«Это действительно красиво», — говорит Лихтман о результате, отмечая, что алгоритм способен отслеживать нейроны быстрее, чем его команда может собирать данные визуализации. «Мы не в состоянии за ними угнаться», — добавляет он. «Это отличное место».

Джейн делает более осторожную заметку и указывает, что по мере того, как ученые берут на себя все более масштабные проекты, алгоритмы сегментации должны становиться более точными, чтобы обеспечить возможность проверки человеком.

Присмотреться

Тем временем ученые оттачивают методы микроскопии, чтобы получать более четкие и детализированные изображения в гораздо более быстром темпе, в ожидании появления наноразмерных коннектомов большого мозга млекопитающих.

Традиционный подход к микроскопии в коннектомике — это тип электронной микроскопии, известный как электронная микроскопия с последовательными срезами. Исследователи встраивают нервную ткань в пластик и разрезают ее на кусочки, которые составляют часть толщины человеческого волоса. Затем они закрепляют срезы на специальной ленте и передают результат, который очень похож на пленку на катушке, через микроскоп.

Преимущество этого метода заключается в том, что образец сохраняется и при необходимости может быть повторно отображен. Но как бы точно это ни было сделано, вырезание образца неизбежно приводит к искажениям, затрудняющим выравнивание изображений.

В новом подходе, известном как сканирующая электронная микроскопия с фокусированным ионным пучком (FIB-SEM), используется пучок заряженных ионов для срезания тонкого слоя образца ткани. Микроскоп делает снимок только что экспонированной поверхности, а затем процесс повторяется. Образец FlyEM представляет собой первый значительный объем, отображаемый этим методом.

Несмотря на отсутствие скорости, одно из преимуществ FIB-SEM состоит в том, что разрешение получаемых изображений одинаково во всех трех измерениях, а не грубее по вертикальной оси.Однако образцы можно визуализировать только один раз, поскольку они испаряются в процессе. Кроме того, поле зрения очень маленькое, что затрудняет применение к более крупным образцам. (Даже мозг плодовой мушки, который размером примерно с маковое зерно, должен быть измельчен на более мелкие куски.) Метод, называемый сканирующей электронной микроскопией пучка кластерных ионов (GCIB-SEM), разработан нейробиологом Кеннетом Хейвортом в исследовательском кампусе Janelia, работает аналогичным образом, но имеет большее поле зрения, что делает его более удобным для использования при визуализации мозга большего размера.

GCIB-SEM также может быть более совместимым с многолучевыми электронными микроскопами, что, как надеются исследователи, ускорит получение изображений. Многочисленные электронные лучи сканируют образец одновременно, что позволяет микроскопу захватывать сотни миллионов пикселей в секунду. Лихтман использует станок производства Carl Zeiss с 61 балкой, а Денк — с 91 балкой. И электронные микроскопы с сотнями лучей в пути, которые в конечном итоге могут захватывать гигапиксельные данные изображения каждую секунду.

Сделайте это значимым

Но скорость создает свои проблемы. Теперь, когда проекты коннектома в наномасштабе быстро производят данные, встает еще одна проблема: как разобраться во всем этом. «У нас под рукой так много обработанных данных», — говорит Рид. «Большое количество ученых может регулярно открывать новые вещи на основе этого набора данных. Намного больше, чем мы могли бы нанять ».

Существует также проблема увязки данных коннектома наноразмеров с данными других крупномасштабных проектов в области нейробиологии, таких как Human Connectome Project. В ходе этого исследования использовалась магнитно-резонансная томография для сканирования мозга около 1200 человек, чтобы определить миллиметровые участки нервных волокон, которые соединяют области мозга. Результатом стала карта, известная как макроконнектом.

«Самая большая проблема в неврологии — проблема масштаба», — говорит Дэвид Эдвардс, неонатолог из Королевского колледжа Лондона. Он является участником проекта «Развитие человеческого коннектома», который завершает усилия по сканированию мозга сотен зародышей в утробе матери, а также доношенных и недоношенных детей.«Великие дела делаются на макроуровне, великие дела делаются на микромасштабе, великие дела делаются на уровне населения», — говорит Эдвардс. «Но есть очень мало способов связать их вместе».

Также появляются новые источники данных, которые в некотором смысле даже более подробны, чем наноразмерный коннектом. Например, коннектом предоставляет информацию только о расположении синапсов, но не об их молекулярном составе. «Я вижу в этом пробел, который необходимо заполнить», — говорит Сет Грант, молекулярный нейробиолог из Эдинбургского университета, Великобритания.«Если вы не можете связать его, вы не найдете пути к геному». И эти геномные идеи, как предполагает Грант, будут иметь важное значение для выяснения того, как эволюция и генетика управляют функцией мозга.

Введите синаптом. В статье 2018 года Грант и его команда каталогизировали один миллиард синапсов во всем мозгу мыши 5 , что позволило им определить 37 подтипов на основе содержания, размера и формы белка, а также выявить паттерны подтипов, которые характеризуют различные виды мозга. регионы.Команда также начала сопоставлять подтипы с теми связями, которые они устанавливают. «Объединение синаптома с коннектомом, — говорит Грант, — станет одним из следующих рубежей».

нейробиологов раскрывают, как мозг может улучшить связи | MIT News

Когда мозг формирует воспоминания или изучает новую задачу, он кодирует новую информацию, настраивая связи между нейронами. Нейробиологи Массачусетского технологического института открыли новый механизм, который способствует укреплению этих связей, также называемых синапсами.

В каждом синапсе пресинаптический нейрон посылает химические сигналы одной или нескольким постсинаптическим принимающим клеткам. В большинстве предыдущих исследований того, как эти связи развиваются, ученые сосредоточились на роли постсинаптических нейронов. Однако команда Массачусетского технологического института обнаружила, что пресинаптические нейроны также влияют на силу связи.

«Этот механизм, который мы обнаружили на пресинаптической стороне, добавляет к инструментарию, который у нас есть для понимания того, как могут изменяться синапсы», — говорит Трой Литтлтон, профессор кафедры биологии, мозга и когнитивных наук в Массачусетском технологическом институте, член из Института обучения и памяти Пикауэра при Массачусетском технологическом институте и старшего автора исследования, которое опубликовано в ноябре18 выпуск Neuron .

Более подробная информация о том, как синапсы изменяют свои связи, может помочь ученым лучше понять нарушения нервного развития, такие как аутизм, поскольку многие из генетических изменений, связанных с аутизмом, обнаруживаются в генах, кодирующих синаптические белки.

Ричард Чо, научный сотрудник Института Пикауэра, является ведущим автором статьи.

Перепрограммирование мозга

Один из самых больших вопросов в области нейробиологии — это то, как мозг перестраивается в ответ на изменение поведенческих условий — способность, известную как пластичность.Это особенно важно на раннем этапе развития, но продолжается на протяжении всей жизни, поскольку мозг учится и формирует новые воспоминания.

За последние 30 лет ученые обнаружили, что сильный вход в постсинаптическую клетку заставляет ее направлять больше рецепторов для нейротрансмиттеров на свою поверхность, усиливая сигнал, который она получает от пресинаптической клетки. Это явление, известное как долговременная потенциация (ДП), возникает после постоянной высокочастотной стимуляции синапса. Долгосрочная депрессия (LTD), ослабление постсинаптического ответа, вызванное очень низкочастотной стимуляцией, может возникнуть, когда эти рецепторы удалены.

Ученые меньше обращали внимание на роль пресинаптического нейрона в пластичности, отчасти потому, что его труднее изучать, говорит Литтлтон.

Его лаборатория потратила несколько лет на разработку механизма того, как пресинаптические клетки высвобождают нейромедиатор в ответ на всплески электрической активности, известные как потенциалы действия. Когда пресинаптический нейрон регистрирует приток ионов кальция, несущих электрический всплеск потенциала действия, везикулы, которые хранят нейротрансмиттеры, сливаются с клеточной мембраной и выливают свое содержимое за пределы клетки, где они связываются с рецепторами на постсинаптическом нейроне.

Пресинаптический нейрон также высвобождает нейромедиатор в отсутствие потенциалов действия в процессе, называемом спонтанным высвобождением. Ранее считалось, что эти «мини» представляют собой шум, возникающий в мозгу. Однако Литтлтон и Чо обнаружили, что minis можно регулировать, чтобы управлять структурной пластичностью синапсов.

Чтобы исследовать, как укрепляются синапсы, Литтлтон и Чо изучили тип синапсов, известный как нервно-мышечные соединения, у плодовых мушек. Исследователи стимулировали пресинаптические нейроны быстрой серией потенциалов действия в течение короткого периода времени.Как и ожидалось, эти клетки высвобождали нейромедиатор синхронно с потенциалами действия. Однако, к своему удивлению, исследователи обнаружили, что мини-события значительно усилились после того, как электрическая стимуляция закончилась.

«Каждый синапс в мозге запускает эти мини-события, но люди в значительной степени игнорировали их, потому что они вызывают лишь очень небольшую активность в постсинаптической клетке», — говорит Литтлтон. «Когда мы давали этим нейронам сильный импульс активности, эти мини-события, которые обычно очень низкочастотные, внезапно нарастали, и они оставались повышенными в течение нескольких минут, а затем снижались.

Синаптический рост

Усиление minis, по-видимому, провоцирует постсинаптический нейрон высвобождать сигнальный фактор, до сих пор не идентифицированный, который возвращается в пресинаптическую клетку и активирует фермент, называемый PKA. Этот фермент взаимодействует с белком везикул, называемым комплексином, который обычно действует как тормоз, зажимая везикулы, чтобы предотвратить высвобождение нейромедиатора до тех пор, пока он не понадобится. Стимуляция PKA модифицирует комплексин, так что он освобождает свои везикулы нейротрансмиттера, производя мини-события.

Когда эти маленькие пакеты нейротрансмиттера высвобождаются с повышенной скоростью, они помогают стимулировать рост новых связей, известных как бутоны, между пресинаптическими и постсинаптическими нейронами. Это делает постсинаптический нейрон еще более восприимчивым к любой будущей коммуникации от пресинаптического нейрона.

«Обычно у вас есть около 70 таких бутонов на клетку, но если вы стимулируете пресинаптическую клетку, вы можете очень быстро вырастить новые бутоны. Это удвоит количество образующихся синапсов », — говорит Литтлтон.

Исследователи наблюдали этот процесс на протяжении всего личиночного развития мух, которое длится от трех до пяти дней. Однако Литтлтон и Чо продемонстрировали, что острые изменения синаптической функции также могут приводить к синаптической структурной пластичности во время развития.

«Механизм пресинаптического терминала можно очень быстро модифицировать, чтобы управлять определенными формами пластичности, что может быть действительно важно не только в развитии, но и в более зрелых состояниях, где синаптические изменения могут происходить во время поведенческих процессов, таких как обучение и т. Д. память, — говорит Чо.

Исследование имеет большое значение, поскольку оно является одним из первых, показывающих, как пресинаптические нейроны способствуют пластичности, — говорит Мария Быховская, профессор неврологии медицинского факультета Государственного университета Уэйна, которая не принимала участия в исследовании.

«Было известно, что рост нейронных связей определяется активностью, но конкретно, что происходит, было не очень понятно», — говорит Быховская. «Они прекрасно использовали Drosophila для определения молекулярного пути.

Лаборатория Литтлтона сейчас пытается выяснить больше механистических деталей того, как комплексин контролирует высвобождение везикул.

Как клетки мозга укрепляют правильные связи? | Дайджесты eLife Science

Поделитесь своим мнением + Открытые аннотации. Текущее количество аннотаций на этой странице вычисляется.

Возбуждающие (+) и тормозящие (-) синапсы играют решающую роль в обучении.Изображение предоставлено: Dorman et al. (CC BY 4.0)

Как мы формируем новые воспоминания? Человеческий мозг содержит почти 90 миллиардов нейронов, которые взаимодействуют друг с другом в соединениях, называемых синапсами. Каждый нейрон имеет форму, немного напоминающую дерево, и покрыт ветвями, называемыми дендритами. Синапсы обычно образуются между концом одного нейрона и дендритом на другом. Большинство ученых считают, что мозг формирует новые воспоминания, изменяя силу этих синапсов. Но остается ряд вопросов о том, как работает этот процесс.

Есть два типа синапсов: возбуждающие и тормозные. Когда возбуждающий синапс становится активным, ионы кальция попадают в дендрит принимающего нейрона. Затем ионы кальция запускают процессы внутри клетки, которые необходимы для изменения силы синапса и, таким образом, формирования памяти. Но что происходит, когда тормозящий синапс становится активным? Как это влияет на память?

Кроме того, каждый нейрон образует синапсы с тысячами других, с несколькими синапсами на одном дендрите.Чтобы сформировать память о конкретном опыте, мозг должен укрепить только те синапсы, которые связаны с этим опытом. Как мозгу удается целенаправленно воздействовать на эти синапсы? Должны ли синапсы быть сгруппированы на одной дендритной ветви, или они могут быть разнесены друг от друга? И все ли синапсы должны быть активны в одно и то же время?

Dorman et al. исследовал эти вопросы, разработав компьютерную модель нейрона. Тестирование модели показало, что не все синапсы, связанные с переживанием, должны быть активными в одно и то же время, чтобы сформировать память.Более того, синапсы могут быть распределены по нескольким дендритам. Наконец, модель показала, что тормозящие синапсы имеют решающее значение для предотвращения распространения ионов кальция внутри дендритных ветвей и входа в неактивные синапсы. Это гарантирует, что только синапсы, активные во время определенного опыта, станут сильнее.

Многие расстройства мозга, включая злоупотребление психоактивными веществами и наркоманию, связаны с ошибками в процессах, лежащих в основе обучения и памяти. Благодаря расширению нашего понимания того, как структура клеток мозга поддерживает эти процессы, текущие результаты могут однажды привести к более эффективному лечению этих и других заболеваний.

Обучение перестраивает мозг | Новости науки для студентов

Музыкантов, спортсменов и чемпионов по викторине объединяет одно: тренировки. Обучение игре на музыкальном инструменте или занятиям спортом требует времени и терпения. Все дело в постоянном овладении новыми навыками. То же самое верно и в отношении изучения информации — например, подготовки к этой викторине или подготовки к большому тесту.

Как повсюду учителя, тренеры и родители любят повторять: практика ведет к совершенству.

Кровоток показывает активность мозга. Здесь синим цветом выделены области, связанные с вниманием, у которых был больший кровоток, когда люди впервые узнали задачу. По мере того, как они лучше знакомились с задачей, кровоток в этих областях уменьшился. Красным цветом обозначены блуждающие мысли, которые стали более активными по мере того, как задача была освоена. С любезного разрешения Натана Спренга / Корнельского университета

Если делать что-то снова и снова, это не только облегчает задачу. Это действительно меняет мозг. Возможно, это не станет сюрпризом.Но как именно происходит этот процесс, долгое время оставалось загадкой. Ученым известно, что мозг продолжает развиваться в подростковом возрасте. Но эти эксперты раньше думали, что эти изменения прекращаются, когда мозг созревает.

Учителя и родители, подпишитесь на шпаргалку

Еженедельные обновления, которые помогут вам использовать Новости науки для студентов в учебной среде

Не более.

Последние данные показывают, что мозг продолжает меняться в течение нашей жизни.Клетки растут. Они образуют связи с новыми клетками. Некоторые перестают разговаривать с другими. И не только нервные клетки сдвигаются и изменяются по мере того, как мы учимся. Другие клетки мозга также принимают участие.

Ученые начали открывать секреты того, как мы учимся, не только в огромных блоках ткани, но даже в отдельных клетках.

Ремонт

Мозг — это не один большой кусок ткани. Всего через шесть-семь недель после начала развития человеческого эмбриона мозг начинает формироваться на разные части. Позже каждая из этих областей возьмет на себя разные роли. Рассмотрим префронтальную кору. Это область прямо у вас под лбом. Вот где вы решаете проблемы. Другие части коры (внешний слой мозга) помогают обрабатывать образы и звуки. Глубоко в мозгу гиппокамп помогает хранить воспоминания. Это также поможет вам понять, где что-то находится вокруг вас.

Ученые могут увидеть, какая часть мозга активна, с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии или фМРТ.В основе каждого устройства фМРТ лежит сильный магнит. Это позволяет устройству обнаруживать изменения кровотока. Теперь, когда ученый просит добровольца выполнить конкретную задачу — например, сыграть в игру или изучить что-то новое, — машина обнаруживает, где кровоток в мозгу самый высокий. Это усиление кровотока указывает на то, какие клетки заняты работой.

Химические посланники, называемые нейротрансмиттерами, покидают конец одной нервной клетки и перепрыгивают через промежуток, чтобы стимулировать следующую нервную клетку. Eraxion / iStockphoto

Многие исследователи мозга используют фМРТ для картирования активности мозга. Другие используют другой тип сканирования мозга, известный как позитронно-эмиссионная томография или ПЭТ. Специалисты провели десятки подобных исследований. Каждый смотрел на то, как определенные области мозга реагируют на конкретные задачи.

Натан Спренг поступил немного иначе: он решил изучить исследования. Спренг — нейробиолог из Корнельского университета в Итаке, штат Нью-Йорк. Нейробиолог изучает мозг и нервную систему.Спренг хотел узнать, как мозг меняется — как он немного трансформируется — по мере того, как мы узнаем.

Он объединился с двумя другими исследователями. Вместе они проанализировали 38 из этих ранних исследований. В каждом исследовании использовалось сканирование с помощью фМРТ или ПЭТ, чтобы выяснить, какие области мозга включаются, когда люди изучают новые задачи.

Области, которые позволяют людям обращать внимание, стали наиболее активными, когда кто-то начал новую задачу. Но со временем эти области внимания стали менее активными. Между тем области мозга, связанные с мечтаниями и блужданием мыслей, становились более активными, когда люди лучше знакомились с задачей.

«Вначале вам нужно много сосредоточенного внимания», — говорит Спренг. Чтобы научиться размахивать битой, требуется много внимания, когда вы впервые пытаетесь ударить по мячу. Но чем больше вы практикуетесь, говорит Спренг, тем меньше вам нужно думать о том, что вы делаете.

Обширная практика может даже позволить человеку выполнять задачу, думая о других вещах — или вообще ни о чем. Например, профессиональный пианист может сыграть сложное музыкальное произведение, не думая о том, какие ноты играть следующей.Фактически, если задуматься о задаче, это может помешать безупречной работе. Это то, что музыканты, спортсмены и другие люди часто называют «в зоне».

Этот нейрон из мозга мыши показывает выпуклое клеточное тело с выступающим из него одним аксоном. По мере того, как мозг учится, нейроны передают информацию быстрее и эффективнее. Мышь была генетически модифицирована, чтобы получить флуоресцентный белок, который светится зеленым светом. Предоставлено Hadley Bergstrom / NIAAA
Ячейки, которые срабатывают вместе, соединяются вместе

Спренг задействует весь мозг.Однако эти изменения фактически отражают то, что происходит на уровне отдельных ячеек.

Мозг состоит из миллиардов нервных клеток, называемых нейронами. Эти клетки болтливы. Они «разговаривают» друг с другом, в основном используя химические посланники. Входящие сигналы заставляют слушающий нейрон запускать или посылать собственные сигналы. Ячейка срабатывает, когда через нее проходит электрический сигнал. Сигнал движется от того, что называется телом клетки , вниз по длинной структуре, называемой аксоном .Когда сигнал достигает конца аксона, он запускает высвобождение этих химических посредников. Затем химические вещества перескакивают через крошечный промежуток. Это вызывает срабатывание следующей ячейки. И это продолжается.

По мере того, как мы узнаем что-то новое, ячейки, которые отправляют и получают информацию о задаче, становятся все более и более эффективными. Им требуется меньше усилий, чтобы сигнализировать следующей ячейке о том, что происходит. В некотором смысле нейроны связаны друг с другом.

Spreng обнаружил эту проводку. По мере того, как клетки в области мозга, связанной с какой-либо задачей, становились более эффективными, они тратили меньше энергии на общение.Это позволило большему количеству нейронов в «грезящей» области мозга увеличить свою активность.

Нейроны могут сигнализировать сразу нескольким соседям. Например, один нейрон может передавать информацию о местоположении бейсбольного поля, которое летит к вам. Тем временем другие нейроны предупреждают ваши мышцы, чтобы они приготовились взмахнуть битой. Когда эти нейроны активируются одновременно, связи между ними укрепляются. Это улучшает вашу способность работать с мячом.

Учиться во сне

Мозг не выключается в одночасье. На самом деле, ловля некоторых ззз может значительно улучшить обучение. Это потому, что, когда мы спим, наш мозг хранит воспоминания и новую информацию с предыдущего дня. Таким образом, плохой ночной сон может повредить нашей способности запоминать новое. Однако до недавнего времени исследователи не знали почему.

Гиппокамп, изображенный здесь у мыши, — это область мозга, участвующая в хранении воспоминаний. Мышь была генетически модифицирована геном, который создает зеленый флуоресцентный белок, заставляющий нейроны светиться зеленым.Предоставлено Хэдли Бергстром / NIAAA Группа ученых из Гейдельбергского университета в Германии дала первые подсказки. Ученые обнаружили, что определенные клетки в гиппокампе — той области, которая участвует в хранении воспоминаний — активируются, когда мыши спят. Но клетки нормально не срабатывали. Вместо этого электрические сигналы спонтанно запускались около середины аксона, а затем возвращались в направлении тела клетки. Другими словами, клетки стреляли в обратном направлении.

Это ускорило обучение. Это было сделано за счет усиления связей между клетками.Опять же, действие как бы соединило клетки воедино. Исследования Елены Букало и Дуга Филдса показали, как это происходит. Они нейробиологи из Национального института здоровья детей и человеческого развития в Бетесде, штат Мэриленд,

.

Работая с тканями мозга крыс, ученые электрически стимулировали аксоны нервов. Осторожно они стимулировали их прямо посередине. Затем электрические сигналы двигались в обратном направлении. Это именно то, что видели немецкие ученые.

Эта обратная передача сигналов сделала нейрон менее чувствительным к сигналам от своих соседей, как выяснили эксперты.По словам Букало, из-за этого клетке стало труднее активироваться, что дало нейрону возможность перезарядиться. Когда она затем применила электрическую стимуляцию возле тела клетки, нейрон сработал. И это произошло даже сильнее, чем раньше.

Клетки, участвующие в изучении новой информации, чаще всего срабатывают в обратном направлении во время сна, говорит Букало. На следующий день они будут более плотно связаны друг с другом. Хотя ученые не знают наверняка, вполне вероятно, что повторяющиеся циклы обратного возбуждения создают сильную сеть нейронов.Нейроны передают информацию быстрее и эффективнее, как выяснил Спренг в своем исследовании. В результате эти сети отражают улучшение понимания или физических навыков.

Художник изображает нервную клетку мозга. Глиальные клетки обвиваются вокруг аксона как одеяло, образуя миелиновую оболочку. По мере того как люди учатся, клетки мозга изменяются, увеличивая скорость и эффективность передачи сигналов по нервным клеткам. blueringmedia / iStockphoto
Стрельба быстрее

Нейроны — самые известные клетки мозга.Но они далеко не единственные. Другой тип, называемый глия, на самом деле составляет целых 85 процентов клеток мозга. Долгое время ученые думали, что глия просто скрепляет нейроны. (Действительно, «глия» произошло от греческого слова «клей».) Но недавнее исследование Филдса, коллеги Букало из Национального института здоровья детей и развития человека, показывает, что глиальные клетки также становятся активными во время обучения.

Один тип глиальных клеток оборачивается вокруг нервных аксонов.(Примечание: не все аксоны имеют такую ​​оболочку.) Эти оборачивающие клетки создают так называемую миелиновую оболочку. Миелин состоит из белков и жиров. Он изолирует аксоны. Миелин немного похож на пластиковое покрытие, которым покрываются медные провода в вашем доме. Эта изоляция предотвращает утечку электрических сигналов из одного провода (или аксона) в другой.

В аксонах миелиновая оболочка играет вторую роль: она фактически ускоряет электрические сигналы. Это потому, что глиальные клетки заставляют сигнал перескакивать с одной точки аксона на другую.Когда он прыгает между глиальными клетками, сигнал движется быстрее. Это похоже на перелет с места на место, а не на поезд.

Зеленая, похожая на осьминога клетка в центре — это тип глиальной клетки, которая создает миелиновую оболочку. Здесь кончики щупалец находятся на ранних стадиях обертывания вокруг нескольких разных аксонов. По мере того, как мозг учится, глиальные клетки растут, изменяются и помогают повысить эффективность передачи сигналов аксонами. Дуг Филдс / NIH

Fields обнаружил, что при изучении новых навыков количество миелина, изолирующего аксон, увеличивается.Это происходит по мере увеличения размера отдельных глиальных клеток. К голым аксонам также могут быть добавлены новые глиальные клетки. Эти изменения улучшают способность нейрона передавать сигналы. И это ведет к лучшему обучению.

Более толстая миелиновая оболочка помогает улучшить все типы умственных задач. К ним относятся чтение, создание воспоминаний, игра на музыкальном инструменте и многое другое. Более толстая оболочка также способствует лучшему принятию решений.

Нервные клетки продолжают добавлять миелин и во взрослой жизни, так как наш мозг продолжает расти и развиваться.Например, префронтальная кора — та область, где принимаются решения — накапливает миелин уже к 20 годам. Это может объяснить, почему подростки не всегда принимают правильные решения. Они еще не закончили вкладывать нервные клетки в оболочку. Но надежда есть. И высыпание, безусловно, может помочь. Глиальные клетки, как и нейроны, по-видимому, больше всего изменяются во время определенных стадий сна.

Что именно вызывает изменение глиальных клеток, остается загадкой. Филдс и его коллеги усердно работают, чтобы понять это.По его словам, это здорово — начать совершенно новую область исследований.

Медленно и стабильно

Эти изменения в мозге обеспечивают более быструю и сильную передачу сигналов между нейронами по мере того, как мозг приобретает новые навыки. Но лучший способ ускорить эти сигналы — вводить новую информацию нашим мозгам — медленно.

Многие студенты вместо этого пытаются запомнить много информации в ночь перед экзаменом. Знание может помочь им пройти тест. Но студенты не будут запоминать информацию очень долго, — говорит Хэдли Бергстром.Он нейробиолог в Национальном институте злоупотребления алкоголем и алкоголизмом в Роквилле, штат Мэриленд,

. Эти музыканты из Ванкуверского молодежного симфонического оркестра могут этого не знать, но обучение игре на музыкальном инструменте изменит мозг. С практикой любой, кто овладел каким-то навыком, может хорошо выполнять его — даже не обращая внимания. Фонд Ванкувера / Wikimedia Commons Его работа показывает, что очень важно распределить обучение на несколько дней. Это означает, что нужно учиться понемногу.Это позволяет неуклонно укрепляться связи между нейронами. Это также позволяет глиальным клеткам лучше изолировать аксоны.

Даже «ага!» момент — когда что-то внезапно становится ясным — не возникает ниоткуда. Напротив, это результат постоянного накопления информации. Это потому, что добавление новой информации открывает воспоминания, связанные с задачей. Когда эти нейроны памяти активны, они могут образовывать новые связи, объясняет Бергстром. Они также могут формировать более прочные связи в существующей сети.Со временем ваш уровень понимания повышается, пока вы внезапно не «поймете» его.

Подобно Филдсу и Букало, Бергстрем подчеркивает важность сна в формировании новых воспоминаний, необходимых для получения знаний.

Написать ответ

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *