н
е
й
р
о
ф
и
3
и
о
л
о
г
и
я

к
о
р
о
т
к
и
е

с
т
а
т
ь
и

 6

 

Современные подходы к изучению деятельности мозга

ЛАБОРАТОРИЯ ПРОСТРАНСТВ 
galactic.org.ua 

 

ЧЕЛОВЕК 

 

генетические элементы мозга

В конечном счете именно нейроны дают начало огромному разнообразию клеток, формирующих головной мозг.
Фото из журнала Nature




 


Мобильный мозг

22.02.2006. "Независимая газета"
Группе генетиков из Института биологических исследований в Сан-Диего, США, совместно с российскими биологами из Института мозга РАН удалось частично расшифровать тайну невероятного многообразия строения и функций головного мозга. Ключ к разгадке – мобильные, или «прыгающие», генетические элементы – фрагменты ДНК, способные перемещаться из одного места генома в другое, изменяя генетическую информацию отдельных нервных клеток. Возникновение определенного количества таких изменений и приводит к качественному сдвигу – формированию индивидуальности головного мозга, считают ученые. Но вот почему это происходит, случайны ли такие «прыжки», – остается тайной.
«Необычное свойство некоторых генов менять свое местоположение было открыто американской исследовательницей Барбарой Мак-Клинток в 1949 году, – рассказывает доктор биологических наук, старший научный сотрудник Института мозга Ольга Свияш. – Поначалу смелое заявление ученого вызвало неприятие среди ее коллег, и долгие годы Барбара была вынуждена находиться в интеллектуальной ссылке. А в 1983 году 82-летняя исследовательница была удостоена Нобелевской премии за открытие, сделанное почти 40 лет назад. Ученый мир признал ее правоту».
Изучение «прыгающих генов» – так часто теперь называют подвижные элементы в ДНК, открытые Мак-Клинток, – сейчас стало обширной и интенсивно разрабатываемой областью молекулярной биологии. Это участки ДНК, способные передвигаться из одного места в хромосомах в другое, встраиваясь рядом с генами и часто меняя при этом их работу. Но то, что подобные механизмы происходят и в мозгу, долгие годы было тайной за семью печатями.
«Не секрет, что мозг каждого человека уникален, – говорит руководитель исследований, доктор биологии Роналд Рейсон. – Он имеет ряд индивидуальных характеристик с точки зрения объема и скорости обработки информации, преобладания той или иной системы памяти, гибкости мыслительных процессов и т.д. Но почему это так? Мы полагаем, что именно с помощью мобильных элементов достигается разнообразие нейронов в главном мыслительном аппарате человека, а также последующий отбор наиболее жизнеспособных клеток. Интересно, что этот процесс характерен только для головного мозга и не затрагивает другие органы».
Процесс формирования нейронов очень сложен. Клетки эмбрионального головного мозга, абсолютно одинаковые по структуре и свойствам, впоследствии превращающиеся в нейроны. Поначалу они тоже не отличаются друг от друга ни морфологически, ни функционально. Но в конечном счете именно нейроны дают начало огромному разнообразию клеток, формирующих головной мозг. Как и почему это происходит? Что заставляет нейроны измениться? Этот вопрос давно волновал умы исследователей. Предполагалось, например, что формирование клеток головного мозга схоже с процессом становления иммунных клеток организма, тоже, как известно, не повторяющих одна другую.
«В иммунной системе гены, кодирующие антитела, много раз перетасовываются и комбинируются, – поясняет Ольга Свияш. – Это позволяет организму синтезировать множество отличных друг от друга антител, способных распознавать неограниченное количество антигенов – чужеродных организму агентов».
Чтобы лучше понять процессы, творящиеся в нашей голове, исследователи изучили поведение человеческого мобильного генетического элемента LINE-1, или L1, в культуре крысиных нервных клеток-предшественников. После этого помеченные специальным красителем элементы L1 были введены мышам. Каждый раз, когда L1 менял свою локализацию, клетка, в геном которой он встраивался, начинала светиться зеленым светом. Через некоторое время такие клетки, как фонарики, вспыхивали по всему объему головного мозга животных. «Это означает, что изучаемый процесс в действительности происходит в живом организме и не может быть артефактом, проявляющимся в культуре клеток», – поясняет Ольга Свияш.
Такие «прыгающие гены» составляют до 17% ДНК, но о них по-прежнему известно совсем немного. Ранее эти фрагменты относили к «бесполезной ДНК»: они считались внутриклеточными паразитами либо атавизмами нашего эволюционного прошлого. Но, по всей видимости, ничего бесполезного природа не создает.
«Еще рано делать выводы о том, как часто мобильные генетические элементы перемещаются в нервных клетках человека, каким образом происходит регуляция этого процесса и что случается при его нарушениях, – говорит Ольга Леонидовна. – Кроме того, помимо изучаемого L1 существует еще множество мобильных генетических элементов, функции которых могут быть иными. На все эти вопросы исследователям еще предстоит найти ответы»

Учёные наблюдали передачу нервных импульсов
21.04.2006.  Освітній портал
Используя STED-микроскопию, учёным Германии удалось наблюдать процессы, происходящие в синаптических зонах нервной клетки.
Обычные методы оптических исследований не позволяют фиксировать настолько малые детали. Преодолеть дифракционный предел позволяет одна из разновидностей люминесцентной микроскопии - STED-микроскопия (STimulated Emission Depletion microscopy). В этой методике происходит подавление спонтанного излучения на периферии пятна люминесценции, полученного с помощью сканирующего конфокального микроскопа, за счёт вынужденного излучения. Немецким учёным удалось достичь разрешения порядка 50-70 нм при использовании излучения с длиной волны 760 нм и заглянуть внутрь биологической клетки.
В ходе исследования учёные рассматривали синаптические пузырьки (везикулы) и белок синаптотагмин, входящий в их состав. Везикулы имеют диаметр около 40 нм и переносят внутри нервной клетки химический медиатор.
Исследователи выяснили, что белок синаптотагмин и везикула связаны: если в процессе передачи импульса первый высвобождается, то бывает тут же поглощён нервной клеткой с созданием нового синаптического пузырька. В то же время, во время опорожнения везикулы формируются активные зоны для передачи возбуждения в синапсе.

Магнитные поля благотворно влияют на работу мозга
09.06.2006.  Освітній портал
Ученые из Национального университета Австралии (Australian National University) и Университета Сиднея (University of Sydney) утверждают, что магнитное поле может придать мозгу обычного человека необычные способности.
Совместное исследование ученых посвящено вопросу влияния повторяющегося воздействия магнитного поля (transcranial magnetic stimulation, TMS) на мозг здорового человека.
Участникам исследования предлагалось оценить, сколько объектов отображалось на мониторе, при этом их число случайным образом варьировалось от 50 до 150. Десять из 12 участников значительно улучшили свои результаты по точному "угадыванию" количества элементов непосредственно после воздействия магнитных полей на переднюю часть височной доли головного мозга.
В течение часа после воздействия отмеченный эффект постепенно исчезал. Результаты исследования опубликованы в июньском выпуске журнала "Восприятие" ("Perception").


магнитной стимуляции мозга

 C помощью дополнительных элементов аппаратуры система NBS может использоваться для самых различных областей диагностики. Например, на этом снимке NBS используется для электромиографии (фото с сайта nexstim.com).

 

Конфигурация поля, индуцированного в мозге пациента. Слева – при использовании кругового соленоида, справа — для соленоида в форме восьмёрки. Плотность тока, индуцируемого в мозге, составляет порядка 0,1 миллиампера на квадратный миллиметр  (иллюстрация с сайта nexstim.com).
магнитной стимуляции функциональности мозга


Магнитные пальцы бесконтактно трогают мозг пациента
5.07.06.  Мembrana
Финские изобретатели придумали устройство, которое проводит "съёмку" функциональности мозга в реальном времени. Компания Nexstim создала новую систему диагностики, позволяющую проводить бесконтактное сканирование мозга. Название ей решили дать несколько замысловатое — eXimia NBS или, для краткости, NBS (от английского "navigated brain stimulation" — управляемая стимуляция мозга).
Эта система применяет метод трансчерепной магнитной стимуляции (transcranial magnetic stimulation — TMS). Он заключается в использовании коротких магнитных импульсов, точно стимулирующих определённые точки коры мозга, а затем – в измерении реакции определённой зоны (или коры в целом) с помощью высокоточной электроэнцефалограммы.
То есть, NBS не просто "смотрит", как работает мозг, а изменяет его деятельность магнитным полем и регистрирует, каким образом нервная система начинает реагировать в ответ.
В системе в качестве основного параметра задействован так называемый индекс здоровья – усреднённый коэффициент качества функционирования конкретной области мозга. Эта величина позволяет оперативно оценить состояние изучаемой зоны, не вдаваясь в подробности (особенно это удобно в том случае, когда коэффициент говорит о высокой "степени здоровья" зоны – значит, более детальное изучение этого места не нужно).
Несмотря на то, что компьютер выдает обобщённые выводы о состоянии мозга, в любом исследовании сохраняются исходные детализированные данные диагностики, которые можно использовать для более подробного анализа.
Как надеются в Nexstim, их инновация скоро будет широко применяться в медицине за счёт того, что в отличие о других методов, она может активно наблюдать за нервной системой. По образному сравнению создателей, это преимущество состоит в том, что eXimia NBS позволяет не только "увидеть", но и "пощупать" мозг.

"Чип удовольствий" из Оксфорда
26.12.08. www.3dnews.ru
Коллектив учёных под руководством Мортена Крингельбаха (Morten Kringelbach) из психиатрического департамента Оксфордского университета (Oxford University) опубликовал работу о новых методах стимуляции мозга. Многие месяцы учёные изучали свойства участка мозга, расположенного непосредственно позади глаз и известного как орбито-фронтальная кора (orbitofrontal cortex, OFC).
Результатом исследований стало создание электронного чипа, подключаемого к имплантированным в эту область мозга электродам и посылающего слабые импульсы особой формы в стимулируемую область. Разумеется, пресса тут же окрестила новую электронную разработку "сексуальным чипом".
Известно что эта область мозга, ответственна за принятие решений и когнитивные процессы, связана с чувствами удовольствия (еда, секс).
Медики предполагают применять электронную стимуляцию орбито-фронтальной коры головного мозга для лечения таких психических заболеваний, как, например, ангедония, выраженного потерей чувства радости, наслаждения.
Правильный подбор уровня и модуляции стимулирующих импульсов – дело непростое, именно поэтому понадобилось значительное время для разработки этого чипа. Совершенствование технологии глубокой стимуляции мозга с помощью электроники может найти применение как для создания совершенно новых типов кардиостимуляторов, так и во множестве других медицинских областей. Более того, такие стимуляторы будут обладать плавной регулировкой "мощности", точным контролем; наконец, при желании чип такого стимулятора может быть попросту временно выключен.
В наш век, когда депрессия идёт под руку с развитием цивилизации, недостатка в подобных пациентах у медиков нет и не предвидится. Другое дело когда технология попадает в руки ловкачей, пытающихся на этом подзаработать.
Сейчас известно как минимум об одном враче из Южной Каролины, который в настоящее время модифицирует электронный стимулятор спинного мозга с целью воплощения в жизнь фантастической сексуальной машины Orgasmatron, фигурировавшей в фильме Вуди Аллена под названием Sleeper (1973).
Что касается изобретения учёных из Оксфорда, применение своему "сексуальному чипу" они видят в совершенно другой области – там, где идёт речь о спасении жизни. В качестве наиболее наглядного и актуального примера учёные приводят работу современного кардиостимулятора, при вживлении которого требуется хирургическое вмешательство со всеми вытекающими из этого сложностями.

Метод магнитного резонанса не всегда работает правильно
5.02.09. www.nature.com
Нейробиологи из Колумбийского университета Нью-Йорка (Columbia University in New York) Евгений Сиротин (Yevgeniy B. Sirotin) и Анируддха Дас (Aniruddha Das) показали, что один из главных методов которым сегодня пользуются психологи и нейробиологи при изучении мозга – метод функциональной магнитно-резонансной томографии (fMRI) не всегда работает корректно.
Метод fMRI основан на том, что токи крови особенно интенсивны в тех районах головного мозга, которые в данный момент активны. Активным клеткам необходимо больше кислорода, который и переносит кровь. Ученые с помощью магнитно-резонансной томографии научились неинвазивно (то есть без хирургического вмешательства) следить за потоками крови в мозге, и тем самым определять активность той или иной доли мозга. Этот метод стал один из главных при исследовании разнообразных зависимостей между внешним воздействием и реакцией мозга. Фактически метод функциональной магнитно-резонансной томографии сделал психологию настоящей, то есть экспериментальной, наукой, и значение этого метода для науки, в том числе для медицинских приложений, трудно переоценить.
Нейробиологи из Колумбийского университета во время опытов на обезьянах ввели электроды напрямую в мозг животных и измерили отдельно силу электрических сигналов, возникающих в нейронах мозга, и интенсивность потоков крови.
В тот момент, когда животное рассматривало изображение на экране, сила сигнала вырастала, как и интенсивность крови, то есть эти параметры в области мозга, ответственной за обработку изображений, предсказуемо совпадали. Но когда животное в напряженном ожидании смотрело на пустой экран, кровь циркулировала столь же интенсивно, как и при рассматривании изображений, но электрические сигналы, то есть непосредственная работа мозга не регистрировались.
Ученые считают, что мозг способен предсказывать будущую нагрузку и успевает снабдить кислородом те клетки, которые предположительно будут работать. Исследователи подчеркивают, что очень многие эксперименты, связанные с изучением работы головного мозга человека строятся именно на чередовании демонстрации изображения и ожидания, но это значит, что метод магнитного резонанса, который замеряет интенсивность потока крови, работает не корректно – фактически он может регистрировать интенсивную работу мозга в тот момент, когда мозг отдыхает.
Как замечают ученые из Колумбийского университета, если использовать магнитный резонанс необходимо учитывать обнаруженную ими способность мозга к предчувствию, иначе выводы к которым придет ученый будут некорректными.

Чип - почти мозг мыши
25.03.09. www.impactlab.com
Группа ученых из Европы создала микропроцессор, работающий в точности также, как и головной мозг человека. Разработчики говорят, что чип работает подобно мозгу, только в миниатюре. Процессор симулирует действия 50 000 нейронов, объединенных в 50 млн синаптических соединений друг с другом.
По словам Мейера Карлхайнца (Karlheinz Meier), нейрофизика из Университета Гейдельберга в Германии, чип на практике довольно сильно уступает по функциональности реальному мозгу (даже мышиному), однако принцип его работы передан совершенно верно.
Мы не пытались создать полноценную замену мозгу человека, в наши задачи входило воспроизведение структур мозга в компьютерных технологиях. Такой подход с одной стороны позволит лучше понять, как работает мозг человека, а с другой, разработка таких чипов открывает путь к созданию действительно многопоточных процессоров, способных одновременно управлять тысячами потоков данных", - говорит он.
Разработка процессора велась в рамках проекта Fast Analog Computing with Emergent Transient States (FACETS), однако создатели чипов говорят, что их технологии строятся на ранее созданных образцах "электронных мозгов". Один из таких проектов, получивший название Blue Brain, был ранее реализован исследователями из Политехнического университета Лозанны в Швейцарии. Впрочем, здесь исследователи пытались симулировать работу мозга на суперкомпьютере. Предварительно записав в большую базу данных сведения об электронных микросигналах реального мозга человека, ученые попытались переложить эту же работу на тысячи процессоров суперкомпьютера.
"FACETS также базируется на базе данных со сведениями о работе головного мозга человека, но в отличие от того, чтобы симулировать действия нейронов на процессорах, мы решили эти нейроны виртуально воссоздать", - говорит Мейер.
При помощи чипа на базе обычной 8-дюймовой кремниевой подложки исследователи разработали чип такой конфигурации, в которой при помощи аппаратных транзисторов и узлов можно было бы симулировать работу нейронов и синаптических связей.
Обычная нейронная сеть в головном мозге состоит, как правило, из минимум сотни компонентов, а вот индивидуальная синаптическая связь требует не более 20. Однако для симуляции работы мозга требуется очень много синаптических связей, поэтому пока чип не способен симулировать нейронные сети, это будет следующим шагом в развитии этого проекта.
Карлхайнц говорит, что с некоторой долей условности можно приравнять индивидуальные транзисторы к нейронам головного мозга, тогда процессор можно рассматривать, как действительно параллельную систему.
"На самом деле наш процессор воспроизводит структуру мозга условно, но благодаря физическим особенностям работы он значительно более быстр и более масштабируем. Процессор способен работать в 100 000 раз быстрее мозга, мы можем симулировать суточную мозговую активность за одну секунду", - говорит исследователь.
Разработчики говорят, что проблема в симуляции деятельности головного мозга в процессорах кроется в принципиальных различиях - процессор работает очень быстро, но в одном или нескольких векторах, тогда как мозг работает медленнее, но он "делает вычисления" в подлинно параллельном режиме.
Карлхайнц говорит, что для реального воспроизведения действий мозга в полном объеме исследователям понадобилось бы несколько тысяч таких процессоров, чтобы они могли симулировать более миллиарда нейронов и около 1013 синапсов.

Лазерный луч лечит мозг
13.07.09. www.dailytechinfo.org
Ученые из Стэнфордского Университета вывели лабораторных крыс с наследственной болезнью Паркинсона, в головной мозг этих крыс были вживлены светочувствительные элементы с подведенными снаружи оптоволоконными световодами. Когда синий лазерный свет попадал на участки коры головного мозга, отвечающие за двигательные функции, конвульсии и спазмы у больных животных моментально прекращались.
Невролог и психиатр Карл Дейсеротз (Karl Deisseroth) и его коллеги считают, что воздействие лазерного света может «включать» поврежденные или неактивные клетки головного мозга. Это открытие позволяет разработать новые методики лазерной терапии неврологических и психических расстройств, позволяя лечить дефектные клетки и заново подключать друг к другу различные области мозга.


функциональности клеток мозга

Кора мозжечка:
1
– звездчатая клетка; 2 – корзинчатая клетка; 3 – клетка Пуркинье; 4 – молекулярный слой; 5 – ганглиозный и 6 – гранулярный слои; 7 – к ядрам мозжечка; 8 – мшистые волокна; 9 – звездчатая клетка (клетка Гольджи); 10 – клетки-зерна; 11 – параллельные и 12 – лазающие волокна
medicinsk.ru

Изолированные от мозга нейроны способны запоминать информацию.
28.12.09. www.eurekalert.org
В мозгу крысы можно найти все те же основные структуры, что и в мозгу человека (хотя и менее развитые). Впервые эффект обучения был показан не на живом подопытном, а "в пробирке", на фрагменте нервной ткани мозга крысы с подключенными к нему электродами. Наблюдая за активностью нервных клеток, ученые пришли к выводу, что она меняется, получив определенные сигналы. Это, в свою очередь, свидетельствует о формировании кратковременной памяти.
Нейробиологи обычно выделяют три типа человеческой памяти: декларативную, предназначенную для хранения фактов, процедурную, отвечающую за приобретение и сохранение навыков, и кратковременную рабочую.
Кратковременная память, как считают нейробиологи, основана на изменении электрических свойств нейронов; долговременная – на их физической перестройке и, возможно, на образовании новых нервных клеток. При необходимости кратковременная память преобразуется в долговременную в ходе так называемой консолидации памяти, и это задействует совсем другие механизмы.
В лаборатории медицинской школы Кейс-Вестерна исследователи Университета Западного резервного района (Кливленд, штат Огайо, США) изучали именно кратковременную память. Им удалось показать, что определенные клетки гиппокампа (части головного мозга, которая, возможно, отвечает в том числе и за кратковременную память), получив внешний стимул, могут менять свои электрические свойства и выдавать всплески активности на промежутках до десяти секунд. Это так называемые мшистые клетки (плазматические астроциты, вид нейроглиальных клеток), названные так за характерную форму со множеством отростков, которые сконцентрированы в сгустки, напоминающие мох.
По словам одного из авторов работы, Бена Стоукбриджа (Ben Strowbridge), результаты эксперимента могут существенно помочь в медицинских исследованиях. Ведь выявление нервных цепей, ответственных за кратковременную память, позволяет и определить причины, по которым животное может лишаться способности запоминать что-либо.
"Память, – говорит Бен Строубридж, – это не то, что наблюдается в одной клетке, это то, что реализуется в целой группе клеток". Мшистые клетки гиппокампа связаны с нейронами других типов, и самих по себе их для обучения недостаточно. Но, как показали опыты ученых, мшистые клетки служат важным звеном в тех нервных цепях, которые обеспечивают нам возможность помнить о том, что произошло несколько секунд назад: возможность, без которой нормальная жизнь попросту невозможна.
Исследователи планируют продолжать эксперименты и выяснить, какой максимальный объем информации можно удерживать в гиппокампе. "Нам потребовалось четыре года, чтобы быть в состоянии воспроизводимости хранить два бита информации в течение 10 секунд", говорит Larimer. "Теперь наши исследования будут продвигаться быстрее - мы знаем, что нужно искать и нашли схемы мозга, которые фактически содержат память."



функциональности клеток мозга
Типичное распределение активности клеток сначала было выявлено по результатам множества сеансов просмотра, а затем занесено в модель, способную угадывать, к примеру, число точек на экране, которые видит человек .
(иллюстрации www.unicog.org)

Исследователи извлекли числа из голов испытуемых
29.09.09. www.membrana
Эвелин Эже (Evelyn Eger) из Парижского университета (Université Paris-Sud) и её коллеги из ряда вузов Франции использовали функциональную томографию для регистрации активности нейронов в теменной доле головного мозга.
Испытуемым предъявляли числа в двух видах форм — символической (цифры) и несимволической — группы точек. Оба вида чисел вызывали всплеск активности в теменной доле. Но получающаяся при этом картина заметно отлична. То есть по ряду характерных черт можно предсказать — видит человек четыре точки или цифру "4".
Более того, устойчивые тонкие отличия в активности нейронов наблюдаются и для каждого числа индивидуально (1, 2, 3, 4 и так далее). При этом наиболее ясные различия в образце проявляются для чисел в несимволической форме. И для них мозговые "рисунки" обладают свойством плавного изменения.
Таким образом, рисунок активных нейронов для шести точек является чем-то переходным между "отпечатками", проявляющимися в мозгу при созерцании пяти и семи точек. Для символических чисел такого чёткого линейного изменения обнаружить не удалось.
Чтобы проверить свои догадки, авторы работы проанализировали типичные рисунки работы нейронов, возникающие при наблюдении разных чисел, и составили программу, которая с высокой долей успеха "говорила", на какое число человек только что глянул, анализируя данные со сканера.
При этом процент верного попадания для групп точек был значительно выше, чем для символических чисел. Для последних уловить закономерности оказалось труднее всего. Объясняет это тем, что несимволическое представление эволюционно намного более древнее.
"Числа в принципе бесконечны, и очень маловероятно, что мозг может иметь (а мы можем обнаружить) подписи для каждого числа, — говорит Эже. — Существует некий намёк в наших данных, что чем меньше число, тем более чёткая у него подпись, которая может быть связана с их повторяемостью в повседневной жизни. Потребуются ещё исследования, чтобы сказать что-то более определённое об этой связи и о том, как мозг работает с крупными числами".
 

Мобильный мозг

Смотрите

   Новости биофизики

 
 

 1    2    3    4    5   оглавление
 

   

- человек - концепция - общество - кибернетика - философия - физика - непознанное
главная - концепция - история - обучение - объявления - пресса - библиотека - вернисаж - словари
китай клуб - клуб бронникова - интерактив лаборатория - адвокат клуб - рассылка - форум