Нейробиология: что происходит с мозгом, когда мы учимся

Результаты обучения

В результате освоения курса слушатели должны знать:

• принципы функционирования основных анализаторов человека на рецепторном уровне (фоторецепторы, волосковые клетки внутреннего уха, обонятельные и вкусовые рецепторы, болевые рецепторы и др.);
• основные алгоритмы и конкретные примеры обработки сенсорной информации на уровне стволовых структур и коры больших полушарий (в том числе – в ходе опознавания сложных сенсорных образов);
• роль наследственных (генетических), гормональных и нейромедиаторных факторов в деятельности центров биологических потребностей организма человека (прежде всего, на уровне гипоталамуса и базальных ганглиев);
• последствия нарушения активности центров биологических потребностей (от депрессивных расстройств до маниакальных проявлений); способы их поведенческой и фармакологической коррекции;
• механизмы и принципы формирования основных типов памяти, участие в этих процессах различных структур мозга; значимость импринтинга и условного торможения в нашей жизни;
• возникновение центров мозга, обеспечивающих речевую деятельность, в ходе филогенеза и онтогенеза человека; особенности функционирования и  преимущества «информационной» (речевой) модели внешнего мира;
• четыре типа движений, вклад различных моторных центров головного и спинного мозга в их организацию; нейрофизиологические основы процессов автоматизации движений и двигательного обучения.

Нейронные фонари

Представим на мгновение: мы на верхнем этаже небоскреба, перед нами раскинулся ночной город. Кое-где в окнах горит свет. По улицам снуют машины, освещая путь фарами, вдоль дорог мерцают фонари. Наш мозг похож на город в темноте, в котором всегда освещены отдельные проспекты, улицы и дома. «Фонари» — это нейронные связи. Некоторые «улицы» (нервные проводящие пути) освещены на всём протяжении. Это известные нам данные и проверенные способы решения проблем. 

Творчество же живёт там, где темно — на непроторенных путях, где путника поджидают необычные идеи и решения. Если нам нужны неизбитые формы или идеи, если мы жаждем вдохновения или откровения, придётся приложить усилия и зажечь новые «фонари». Другими словами, образовать новые нейронные микросети. 

Советы старшеклассникам

Проверьте, насколько вы готовы

Если вас заинтересовала профессия нейробиолога, лучше сразу проверить, насколько вам подходит медицинская специальность и работа с людьми с ОВЗ. Посмотрите документальные фильмы о работе врачей и физиологов, например, цикл видеоматериалов об экспериментах И. П. Павлова. Полезно хотя бы несколько дней поработать на подхвате в клинике, куда приходят люди с аутизмом, ДЦП, синдромом Дауна.

В работе нейробиолога важно уметь реагировать на нестандартные ситуации, быть открытым, деликатным и готовым к экспериментам. На занятиях с детьми может случиться всякое, например, я недавно получила удар в лицо

Профессионал должен уметь быстро оценить ситуацию и дать адекватный ответ.

Прочтите книги

Если вы не брезгливы, вас не пугает шум и непредсказуемое поведение — беритесь за книжки. Рекомендую прочесть «Лабиринты мозга» Натальи Бехтеревой, внучки знаменитого российского физиолога. Она написана непростым языком, но лично у меня вызвала сильные эмоции и научный интерес.

Учебник «Патохимия» А. Ш. Зайчика и Л. П. Чурилова написан с юмором и читается как художественная литература. Чтобы понять феномен аутизма, советую учебник О. Б. Богдашиной «Расстройства аутистического спектра: введение в проблему аутизма» и статьи этого автора о нарушении работы сенсорно-перцептивного профиля людей с РАС.

Факты о форме и функционировании мозга

“Дизайн” и функции человеческого мозга уникальны.

42. Ткани человеческого мозга неплотные. Они очень хрупкие и мягкие, похожий на консистенцию мягкого тофу или желатина.  

43. ​​Мозг генерирует примерно 100 мл. жидкости каждый день. Он плавает в этой ванне спинномозговой жидкости, которая действует как амортизатор, предотвращая раздавливание мозга собственным весом.  

44. Половина мозга может работать, как целый мозг. Хирурги, останавливая судороги, иногда удаляют или отключают половину мозга с помощью процедуры, известной как гемисферэктомия.Это не влияет на личность и память пациентов.

45. Хотя сигналы боли обрабатываются в мозгу, в самом мозгу нет болевых рецепторов и он не чувствует боли. Это объясняет, как можно проводить операции на головном мозге без анестезии. Головная боль вызвана ощущениями от кожи, суставов, кровеносных сосудов или мышц. 

46. Согласно исследованиям, проведенным в Кембриджском университете, порядок букв в слове не имеет большого значения для вашего мозга.Пока первая и последняя буквы находятся на своих местах, мозг может переставлять буквы так, чтобы вы могли формировать слова так быстро, как вы можете читать.

Синапсы и медиаторы

Когда потенциал действия достигает окончания аксона, он запускает выделение из этого аксона вещества медиатора. Происходит это в специфических структурах под названием «синапсы». Именно через синапсы нейрон контактирует с какой-нибудь следующей клеткой. Суть функционирования синапса остается достаточно стандартной: медиатор проникает в синаптическую щель и действует на чувствительные белки-рецепторы, находящиеся на поверхности клетки-мишени. Вслед за этим могут наступить два основных исхода: клетка-мишень или возбуждается, или тормозится.

Если происходит возбуждение, мы наблюдаем вход в клетку-мишень ионов натрия, после чего возможно возникновение потенциала действия. Это значит, что какая-то порция информации благополучно миновала синаптическую щель. Передвигаясь вперед, она, возможно, запустит реакцию или попадет в память нейросети. Если наблюдается торможение, в клетку-мишень, как правило, входит хлор или выходит калий, в результате чего клетка-мишень на время становится менее возбудимой.

Строение синапса

Очень важно то, что на каждом нейроне сходятся сотни и тысячи синапсов, сотни и тысячи аксонов, и сигналы от соседних аксонов суммируются. В итоге нейрон оказывается достаточно сложным вычислительным устройством, которое работает одновременно с сотнями и тысячами информационных каналов

А элементарной структурно-функциональной единицей мозга оказывается все-таки синапс. И вычислительные ресурсы нейросети зависят не от количества нейронов, а от того, насколько много синапсов находится в единице объема нервной ткани, допустим, в одном кубическом миллиметре.

Все знают, что нервные клетки не восстанавливаются. А вот синапсы способны к восстановлению. И если в каком-то месте мозга погибли нервные клетки, то соседние нейроны могут выпустить отростки, установить контакты и с помощью вновь образованных синапсов «зашить дырку» в нейросети. Порой такая нейросеть работает даже лучше, чем исходная.

Все под контролем!

Наш мозг — структура, несомненно, сложная и неглупая — одновременно с получением удовольствия осознает весь тот вред, который мы наносим зависимостями сами себе. Но почему же тогда одним сложно взять себя в руки, тогда как другие способны годами есть листья салата, не срываясь на сахарные бомбы? Как привычки берут верх над рассудком, логикой и здравым смыслом?

Возможно, все дело в нарушениях префронтальной коры мозга — области, которая отвечает за самоконтроль. МРТ-снимки людей, зависимых от наркотических веществ, показывают серьезную нехватку серого вещества в этих областях: чем серьезнее и дольше человек зависим, тем сложнее ему отказаться от пагубной привычки. У людей, страдающих от поведенческих зависимостей вроде уже упомянутого шопоголизма, подобные нарушения также есть, но менее выраженные.

К сожалению, наука пока что не может дать ответ о «курице и яйце» и сказать, что первично: человек получает зависимость, так как у него есть нарушения префронтальной коры, или же нарушения появляются из-за наследственности, травм, стресса и со временем повышают вероятность обзавестись пагубной привычкой?

Наверняка можно сказать только одно: хотя поведенческие зависимости вроде игромании не сравнимы по наносимому вреду с курением или алкоголизмом, они точно так же меняют функционирование мозга, лишают силы воли и снижают способность к общему самоконтролю.

Но где находится грань между адекватным поведением в угоду каким-то своим желаниям и тяжелой зависимостью? Можно ли подсесть на любое занятие, которое приносит удовольствие? Есть по три пирожных в день — точно перебор. А если те же три пирожных, но каждую субботу?

Сила окружения

Инновационные компании понимают, как важно создать творческую атмосферу. Они размещают своих сотрудников в светлых, просторных, приятных помещениях. . В спокойной обстановке, когда не требуется гасить пожар повседневности, люди становятся более изобретательными

В сборной Аргентины Лионель Месси — тот же человек с тем же мозгом, что и в «Барселоне». Но в «Барселоне» он более производителен: за матч может провести 10–15 атак, из которых две-три завершаются голом. В то же время в сборной ему удаётся провести две-три атаки за игру, следовательно, меньше шансов, что они будут нестандартными и приведут к голу. То, как он использует свои навыки и творческий потенциал, очень сильно зависит от обстановки, атмосферы на тренировках, команды и самочувствия

В спокойной обстановке, когда не требуется гасить пожар повседневности, люди становятся более изобретательными. В сборной Аргентины Лионель Месси — тот же человек с тем же мозгом, что и в «Барселоне». Но в «Барселоне» он более производителен: за матч может провести 10–15 атак, из которых две-три завершаются голом. В то же время в сборной ему удаётся провести две-три атаки за игру, следовательно, меньше шансов, что они будут нестандартными и приведут к голу. То, как он использует свои навыки и творческий потенциал, очень сильно зависит от обстановки, атмосферы на тренировках, команды и самочувствия.

Творчество — это не какая-то волшебная лампочка, которую можно включить в любом месте, оно тесно связано с окружающей средой. Для него необходима стимулирующая обстановка.

Провода в голове

Одним из таких шансов, предоставленных исследователям мозговой деятельности, стала необходимость хирургического лечения тяжелых случаев эпилепсии, которые не поддаются медикаментозной терапии. Причиной заболевания становятся пораженные участки срединной височной доли. Именно эти области необходимо удалить методами нейрохирургии, однако прежде всего их надо выявить, чтобы, так сказать, не «отхватить лишнего».

Американский нейрохирург Ицхак Фрид из Калифорнийского университета (Лос-Анджелес) еще в 1970-х стал одним из первых, кто применил для этой цели технологию введения непосредственно в кору головного мозга электродов толщиной 1 мм. По сравнению с размером нервных клеток электроды имели циклопические размеры, однако даже такого грубого инструмента было достаточно, чтобы снять усредненный электросигнал от некоторого количества нейронов (от тысячи до миллиона). В принципе, для достижения чисто медицинских целей этого было достаточно, но на каком-то этапе инструмент было решено усовершенствовать. Отныне миллиметровый электрод получал окончание в виде разветвления из восьми более тонких электродов диаметром 50 мкм. Это позволило увеличить точность замеров вплоть до фиксации сигнала от сравнительно небольших групп нейронов. Были также разработаны методы, позволяющие отфильтровать из «коллективного» шума сигнал, посылаемый одной-единственной нервной клеткой мозга. Все это было сделано уже не в медицинских, а в чисто научных целях.

Что такое пластичность мозга?

Пластичностью мозга называется потрясающая способность нашего органа мышления приспосабливаться к изменяющимся обстоятельствам. Если мы обучаемся какому-либо навыку и интенсивно тренируем мозг, в области мозга, отвечающей за этот навык появляется утолщение. Находящиеся там нейроны создают дополнительные связи, закрепляя вновь полученные умения

В случае поражения жизненно важного участка мозга, мозг порой заново развивает утраченные центры в неповрежденной области

Именные нейроны

Объектом исследований становились люди, ожидавшие операции по поводу эпилепсии: пока внедренные в кору мозга электроды считывали сигналы от нейронов для точного определения зоны хирургического вмешательства, попутно проводились весьма интересные эксперименты. И это был тот самый случай, когда реальную пользу науке принесли иконы поп-культуры — голливудские звезды, чьи образы легко узнаваемы большинством населения планеты. Сотрудник Ицхака Фрида — врач и нейрофизиолог Родриго Киан Кирога — демонстрировал испытуемым на экране своего ноутбука подборку широко известных зрительных образов, среди которых были как популярные личности, так и знаменитые сооружения, вроде оперного театра в Сиднее. При показе этих картинок в мозге наблюдалась электрическая активность отдельных нейронов, причем разные образы «включали» разные нервные клетки. Например, был установлен «нейрон Дженнифер Энистон», который «выстреливал» всякий раз, когда на экране возникал портрет этой актрисы романтического амплуа. Какое бы фото Энистон ни демонстрировали испытуемому, нейрон «ее имени» не подводил. Более того, он срабатывал и тогда, когда на экране появлялись кадры из известного сериала, в котором актриса снималась, пусть даже ее самой в кадре не было. А вот при виде девушек, лишь похожих на Дженнифер, нейрон молчал.

The Vestibular Sense & Gaze

The vestibular system and gaze control give us so much but are grossly under appreciated. They are so fundamental that we discount them, assuming that they will always be there. When the vestibular system fails us, its importance dominates our lives. Living with either a vestibular or an eye movement disorder is very disruptive to everyday life. In this module, you will learn how the inner ear is designed to detect and respond to head movements. You will learn about the circuit that connects the inner ear to the motoneurons that control the location of your eyes, allowing us to reflexively maintain our view of an object even as we move about in the world. Finally, we will talk about how you can modify this reflexive control of the eyes and how you can control where you are looking.

Hours to complete
2 hours to complete

Reading
16 videos (Total 82 min), 2 readings, 1 quiz

See All

Нервные клетки и нейроглии

Наш мозг сформирован из нервной ткани, а ее ключевой элемент – нейроны. Данные клетки выглядят очень характерно, обычно у них большое число отростков, подразделяющихся на два типа: дендриты и аксоны. Первые – это отростки, воспринимающие информацию. Они обычно образуют большие ответвления для того, чтобы этой информации было побольше. Аксон – отросток, проводящий сигналы к другим клеткам. Между двумя этими видами отростков располагается тело нервной клетки, отвечающее в основном за обработку информации.

Наряду с нейронами в составе нервной ткани присутствуют еще вспомогательные клетки — глиальные. Их в среднем в 7 раз больше, чем нейронов, и они механически защищают нервные клетки, создают взаимную электрическую изоляцию, а также формируют ГЭБ, то есть барьер между кровью и мозгом, который следит за проникновением веществ в нервную ткань.

То, что нейроны не делятся, знают все. Но это не дефект нервной клетки, а ее необходимое свойство. Разделиться нейрону – это то же самое, как если бы вы взяли компьютерный диск и разрезали его пополам. У вас не получится два диска, а останется один, причем сломанный. Поэтому если нервные клетки в какой-то части мозга делятся, то это очень особые зоны и очень особые функции, например, обоняние.

Neural Communication + Embodied Emotion

Neurons are the cells of the nervous system responsible for communicating, relaying, and integrating information. Neurons «talk» to other neurons through a special type of language that involves electrical signaling within individual neurons, and the use of chemical compounds known as neurotransmitters to communicate between neurons. In this module, you will learn more about how a neuron functions at rest, how information is relayed within a neuron, and how neurons relay information to other neurons or target tissues.

In the second half of this module, you will be learning about how the body and emotions work together to produce our everyday emotional experiences. We will look at the enteric nervous system and learn how to discern whether the sympathetic or parasympathetic system is impacting our current emotional state.

Hours to complete
3 hours to complete

Reading
17 videos (Total 99 min), 3 readings, 1 quiz

See All

Как найти мотивацию и получать удовольствие от обучения

Мотивация — это то, что побуждает нас к действию, которое поможет удовлетворить наши потребности. Так вот, у мозга есть такой стимул всегда!

Если у нас не будет способности обнаруживать вокруг новое и изучать его — мы можем не заметить опасность или не придумать, как оградить себя от нее заранее. А где есть эволюционная потребность — там в большинстве случаев есть и желание ее удовлетворить. Этот процесс, в свою очередь, вызывает у нас ощущение удовольствия, активируя дофаминовую систему поощрения. Так мозг побуждает нас заниматься действительно важными для продолжения жизни вещами.

Проще говоря, нам приятно учиться, что называется, по определению — если только этот процесс рационально организован, а не так, как было в школе.

Получать удовольствие очень важно, чтобы сохранять мотивацию, и испытывать радость при этом можно не только от самого исследования. Дофаминовая система поощряет нас, когда мы учимся, а в наших силах — поощрить ее саму в процессе обучения, чтобы создать более устойчивую связь между этим занятием и удовольствием

Поощрения могут быть краткосрочными и долгосрочными. Первые эффективно используются, например, при геймификации обучения, когда процесс делят на этапы, за завершение каждого из которых дается вознаграждение. Мы охотнее усваиваем новые знания, умения и навыки, соревнуясь в группе за всякие баллы, значки и прочие фантики.

Литература

• Baars, B.J., Gage, N.M. (2010). «Cognition, Brain, and Consciousness: Introduction to Cognitive Neuroscience» (2nd ed.)
• Bear, M. F., Connors, B. W. & Paradiso M. A.(2007). «Neuroscience: Exploring the Brain» (3rd ed.). pp. 10–11. Lippincott Williams & Wilkins (англ.)русск., ISBN 0-7817-6003-8
• Churchland, P.S. & Sejnowski, T.J. (англ.)русск. (1992). The Computational Brain (англ.)русск., The MIT Press, ISBN 0-262-03188-4.
• Code, C. (1996). Classic Cases: Ancient & Modern Milestones in the Development of Neuropsychological Science. In: Code, C. et al. Classic Cases in Neuropsychology.
• Gallistel, R. (2009). «Memory and the Computational Brain: Why Cognitive Science will Transform Neuroscience.» Wiley-Blackwell (англ.)русск. ISBN 978-1-4051-2287-0.
• Gazzaniga M. S., Ivry R. B. & Mangun G. R. (2002). Cognitive Neuroscience: The biology of the mind (2nd ed.). New York: W.W.Norton.
• Gazzaniga, M. S., The Cognitive Neurosciences III, (2004), The MIT Press, ISBN 0-262-07254-8
• Gazzaniga, M. S., Ed. (1999). Conversations in the Cognitive Neurosciences, The MIT Press, ISBN 0-262-57117-X.
• Sternberg, Eliezer J. Are You a Machine? The Brain, the Mind and What it Means to be Human. Amherst, NY: Prometheus Books.