Smegenų žemėlapis

Maršrutai smegenų žemėlapyje. Iš smegenų navigacijos istorijos

N. Markina

Visi žmogaus smegenų sukrėtimai ir grioveliai jau seniai įvardyti ir aprašyti. Neuroanatominiuose atlasuose ta pati smegenų žievės pilkoji medžiaga nudažyta skirtingomis spalvomis. Šiai spalvų kortelei yra daugiau nei šimtas metų. Pati mintis, kad psichinės funkcijos yra lokalizuotos skirtingose ​​žmogaus smegenų žievės paviršiaus vietose, kilo XVIII – XIX a. Sandūroje. Vokiečių gydytojas Franzas Gallas (1758–1828) sukūrė vadinamuosius smegenų frenologinius žemėlapius, kur įdėjo psichikos savybes, kurias pavadino „sielos sugebėjimais“. Šiuolaikinio mokslo požiūriu, ryškūs Gallo žemėlapiai yra išvadų, pagrįstų ne eksperimentiniais duomenimis, o tik jų pačių pastebėjimais, vaisius. Tačiau mokslininkai du šimtmečius kovojo dėl jo idėjos įgyvendinimo..

XIX amžiaus pabaigoje vokiečių fiziologai šunų ir kačių smegenų žievėje rado zoną, kurios elektrinė stimuliacija sukėlė nevalingą priešingos kūno pusės raumenų susitraukimą. Jiems pavyko tiksliai nustatyti, kuriose šios zonos dalyse yra atstovaujamos skirtingos raumenų grupės. Vėliau ši zona (ji buvo vadinama varikliu) buvo aprašyta žmogaus smegenyse, ji yra priešais centrinį (Rolando) griovelį, kuris giliausiai dalija smegenų žievę skersine kryptimi. Čia nuosekliai išdėstyti gerklų, burnos, veido, rankų, kamieno, kojų raumenų vaizdai, o žievės plotas visiškai neatitinka kūno dalių dydžio. Kanados neurologas Wilderis Gravesas Penfieldas ir E. Baldry, palyginę abu, šioje vietoje nupiešė juokingą žmogeliuką - homunkulą. Jis turi didžiulį liežuvį, lūpas, nykščius ant rankų, o rankos, kojos ir kūnas yra labai maži. Simetriškas homunkulas gyvena už centrinio sulcus, tik jis nėra motorinis, bet jutiminis. Šios smegenų žievės srities sritys yra susijusios su odos jautrumu įvairiose kūno vietose. Variklio ir jutimo zonos glaudžiai sąveikauja, todėl paprastai jos laikomos viena sensomotorine žieve. Vėliau paaiškėjo, kad viskas išdėstyta šiek tiek sudėtingiau: fiziologai rado dar vieną visišką mažesnio dydžio kūno judėjimą, atsakingą už laikysenos ir kai kurių kitų sudėtingų lėtų judesių palaikymą..

Visi jutimo organai turi savo įgaliojimus smegenų žievėje. Pavyzdžiui, pakaušiniame žmogaus smegenų regione yra regos žievė, laikinojoje skiltyje - klausos, o uoslės atvaizdas yra išsibarstęs keliose smegenų dalyse. Žievėje taip pat yra vadinamieji asociatyvieji laukai, kuriuose vyksta informacijos, gaunamos iš pirminių jutimo organų laukų, analizė ir sintezė. Asociatyvieji laukai stipriausiai išsivystę žmonėms, ypač tiems, kurie yra priekinėje skiltyje, fiziologai su jais sieja aukščiausius psichikos pasireiškimus - mąstymą, intelektą. XIX amžiaus viduryje prancūzų mokslininkas Paulas Broca ir vokiečių psichiatras Karlas Wernicke kairiajame žmogaus smegenų pusrutulyje atrado dvi sritis, susijusias su kalba. Kai Broca zona yra pažeista - apatinės priekinės gyrus užpakaliniame trečdalyje sutrinka paciento kalba, jei paveikta Wernicke zona. - viršutiniame laikinojo žandikaulio užpakaliniame trečdalyje pacientas gali kalbėti, tačiau jo kalba tampa tuščia.

Taigi šiandien fiziologai daug žino apie smegenų struktūrą ir funkcijas. Bet kuo daugiau jie sužino, tuo daugiau paslapčių lieka. Nė vienas iš šių dienų tyrinėtojų negali teigti, kad žino, kaip veikia smegenys. Esamus smegenų žemėlapius pagal informacijos turinio laipsnį tikriausiai galima palyginti su geografiniais viduramžių žemėlapiais, kai žemynų kontūrai tik iš tolo priminė realų gyvenimą, o baltos dėmės viršijo visa kita plotu. „Ir svarbiausia, kad žinodami apytiksliai geografiją, neįsivaizduojame, kas vyksta skirtingose„ šalyse “. Ką jie daro, kaip gyvena “, - komentuoja Rusijos mokslų akademijos Žmogaus smegenų instituto direktorius Rusijos mokslų akademijos narys korespondentas Svjatoslavas Vsevolodovičius Medvedevas.

Užduotis pašalinti smegenų žemėlapio tuščias vietas ir padidinti jų skiriamąją gebą yra daug sunkesnė nei užpildyti tuščias vietas geografijoje. Ypač kalbant apie žmogaus smegenis ir aukščiausias žmogaus psichikos apraiškas. Ar tikrai įmanoma į smegenų paviršių projektuoti žmogaus jausmus, minties įtampą, kūrybos kančią? Ar kada nors bus galima pasakyti: ši zona yra atsakinga už sprendimų priėmimą, ši ląstelių grupė yra atsakinga už grožio jausmą, čia pavydas pavydi, o čia prasideda meilės zona?

"Teisingiau būtų kalbėti ne apie smegenų kartografavimą, bet apie smegenų funkcijų kartografavimą", - aiškina S.V. Medvedevas. - Užduotis yra nustatyti, kur yra neuronai, dalyvaujantys sprendžiant tam tikrą užduotį, ir suprasti, kaip šios smegenų dalys sąveikauja tarpusavyje. Galiausiai, svarbiausia neurofiziologo užduotis - tikslas, nuo kurio mes dar esame labai toli - yra koreliuoti smegenų įvykius su tuo, ką žmogus galvoja, iššifruoti aukštesnės nervinės veiklos kodus ".

Smegenys kalba elektrine kalba

Pirmieji duomenys apie aukštesnių smegenų funkcijų lokalizaciją buvo gauti „klinikinių ir anatominių palyginimų“ eroje, tai yra stebint pacientus, kuriems buvo pažeistos kai kurios smegenų dalys. Tada 1920-ųjų pabaigoje prasidėjo elektrofiziologinių tyrimų dominavimo era. Fiziologai išmoko registruoti elektrinį smegenų aktyvumą - žmogaus elektroencefalogramą (EEG) per elektrodus, pritvirtintus prie galvos odos (pirmą kartą tai padarė Austrijos psichiatras Hansas Bergeris 1929 m.). Šis metodas tapo pagrindiniu tiriant smegenų darbą ir jo ligas - pirmieji elektrofiziologai tikėjo, kad su EEG pagalba galima visko išmokti. Iš tiesų, EEG atspindi įvairius smegenų procesus, tačiau sunkumas yra tas, kad jis užregistruoja bendrą elektrinį aktyvumą, apibendrina ir vidutiniškai įvertina daugelio nervinių ląstelių - neuronų - darbą. Ir tai yra jos metodinis apribojimas..

Tada pasirodė kiti smegenų elektrinio aktyvumo tyrimo metodai, pavyzdžiui, sukeltų potencialų metodas - tai elektrinės bangos, kylančios tam tikrose smegenų žievės srityse, reaguojant į specifinę stimuliaciją. Regimojoje žievėje jie pasirodo kaip šviesos blyksnis, klausos - reaguojant į garsą ir kt. Šis metodas suteikė daug galimybių tirti funkcijų lokalizaciją smegenų žievės zonose, o jos pagalba smegenėlių žemėlapis buvo gerokai patobulintas. Tačiau jis taip pat turi apribojimų, visų pirma tiriant žmogaus smegenis..

Tobulėjant mikroelektrodų technologijai tapo įmanoma registruoti atskirų neuronų elektrinius išleidimus. Natūralu, kad tai daugiausia daroma eksperimentuose su laboratoriniais gyvūnais. Žmogaus smegenų tyrimų proveržis įvyko tada, kai tapo įmanoma užfiksuoti žmogaus neuronų elektrinį aktyvumą tiesiai iš smegenų, naudojant implantuotus požievinius elektrodus. Akademikė Natalja Petrovna Bekhtereva šį metodą pradėjo naudoti 60-ųjų pradžioje. Ploni elektrodai terapiniais tikslais buvo įkišti į paciento smegenis - jų pagalba buvo galima nukreipti smegenų sritis. Bet kai tik elektrodas yra implantuojamas į paciento smegenis, būtina pasinaudoti šia galimybe ir gauti iš jos maksimalią informaciją. Toks elektrodas registruoja aplinkinių neuronų aktyvumą, ir tai yra visiškai kitoks skiriamosios gebos lygis, nei galima gauti iš galvos paviršiuje esančio elektrodo..

Neuronai „raštingi“ ir „kūrybingi“

Rusijos implantuotų subkortikinių elektrodų pagalba fiziologams iš Rusijos mokslų akademijos Žmogaus smegenų instituto pavyko daug sužinoti apie tai, kaip smegenys susitvarko su kalba. Kaip jau minėta, Broca ir Wernicke kalbos sritys buvo žinomos jau seniai. „Teisingiau būtų apsiriboti apibrėžimu„ susijęs su kalba “, o ne vartoti frazę„ kalbos zona “, pabrėžia S.V. Medvedevas. - Prisimeni anekdotą apie tarakoną, kuris, pasirodo, turi „ausis ant kojų“? Turite suvokti, kad Brocko ir Wernicke zonos gali būti ne kalbos centras, o kažkokia sąsaja “..

Visai kitoje smegenų žievės vietoje tyrėjai rado detektorių, skirtą prasmingos frazės gramatiniam teisingumui. Neuronų grupė padidina savo elektrinį aktyvumą, jei frazė, kurią girdi tiriamasis, yra gramatiškai teisinga, ir susilpnina, kai ji yra neteisinga. Jei tiriamajam bus pasiūlytos frazės „mėlyna juosta“ ir „mėlyna juosta“, šie „kompetentingi“ neuronai iškart pastebės skirtumą. Kita neuronų grupė išskiria gimtosios kalbos žodžius, fonetiškai į juos panašius žodžius ir svetimus žodžius. "Tai reiškia, kad nervų populiacija beveik akimirksniu analizuoja fonetinę žodžio struktūrą ir skirsto ją į tipus:" Aš suprantu "," Aš nesuprantu, bet kažkas pažįstama "ir" Aš visiškai nesuprantu ", - sako S.V. Medvedevas. Šiuo klausimu kyla klausimas, ar šie neuronai veikia vienodai ar skirtingai įgimto raštingumo žmonėms ir tiems, kurie turi su tuo problemų. Labiausiai tikėtina, kad yra skirtumų, tačiau norint atsakyti tiksliai, reikia įdarbinti daug dalykų.

"Mes radome neuronų grupes, kurios atskiria konkrečius ir abstrakčius žodžius, neuronus, kurie, matyt, yra atsakingi už balą", - sako toliau Svjatoslavas Vsevolodovičius. - Mes nustatėme smegenų sritis, kurios yra susijusios su apibendrinimu, su sprendimų priėmimu. Visoms neuronų sistemoms būdingas polifunkcionalumas: tai reiškia, kad tos pačios ląstelės gali dalyvauti skirtingose ​​funkcijose. Neuronų specializacija yra santykinė - priklausomai nuo situacijos, jie gali prisiimti skirtingas pareigas. Pavyzdžiui, mirus laivo kapitonui, jo vietą užima navigatorius ar kažkas kitas. Todėl smegenys yra labai lanksti sistema “. Keičiamųjų neuronų savybė bėgant laikui praranda ir įgyja didesnę specializaciją. Mažas vaikas negali vienu metu vaikščioti ir kalbėti; jei jam paskambinsite, jis suklups ir pargrius. Faktas yra tas, kad visą jo žievę užima arba vienas, ir kitas. Mokinys neturėtų blaškytis pamokoje, kitaip jis neišmoks medžiagos. Laikui bėgant smegenų teritorijos dalijasi vis daugiau, todėl suaugęs žmogus gali vienu metu vairuoti automobilį ir palaikyti pokalbį, kalbėtis telefonu ir peržiūrėti dokumentus ir kt..

N.P. Bekhtereva ir jos bendradarbiai smegenyse rado neuronų, kurie veikia kaip klaidų detektorius. Koks jų vaidmuo? Jie reaguoja į bet kokį stereotipinės veiksmų sekos pažeidimą. „Išeini iš namų ir gatvėje pajunti:„ Kažkas ne taip... “- paaiškina S.V. Medvedevas. - Taip yra - jie pamiršo išjungti vonios kambario šviesą. Klaidas aptinkantys neuronai yra skirtingose ​​smegenų dalyse - dešiniojo pusrutulio parietalinėje žievėje, rolando griovelyje, žievės viršutiniuose parietaliniuose ir parietaliniuose-laikiniuose regionuose, cingulate gyrus..

Tačiau implantuotų elektrodų metodas turi ribotumą. Elektrodai, žinoma, nėra implantuojami ten, kur to norėtų fiziologai, o tik ten, kur to reikia dėl klinikinių priežasčių. Ar tai reiškia, kad mes ieškome ten, kur šviesiau, o ne ten, kur praradome?

„Positron“ varomas smegenų skaitytuvas

Tradiciškai medicinoje naudojami rentgeno spinduliai smegenų vaizdui gauti nėra geriausias būdas. Atsiradus magnetinio rezonanso tomografijai (MRT) atsirado labai skirtingų galimybių. Pozitronų emisijos tomografija (PET) aktyviai naudojama Rusijos mokslų akademijos Žmogaus smegenų institute. Abu metodai suteikia smegenų vaizdą. Koks skirtumas tarp jų?

MRT yra pagrįstas kai kurių atomų branduolių, visų pirma vandenilio atomų branduolių, savybėmis, kai jie dedami į magnetinį lauką, kad sugertų energiją radijo dažnių diapazone ir skleistų ją pasibaigus radijo dažnio signalo veikimui. Priklausomai nuo „aplinkos“, tai yra nuo biologinio audinio, kuriame yra šie branduoliai, savybių, keičiasi jų spinduliuotės intensyvumas. Todėl galima pamatyti įvairių smegenų struktūrų vaizdus. PET metodo esmė yra nustatyti nykstančius mažus medžiagos kiekius, pažymėtus radioaktyviu, ypač trumpalaikiu (pusinės eliminacijos laikas - minutėmis) izotopu. Iš izotopo išsiskiria pozitronai, kurie sunaikinami elektronais, išskiriantys du gama kvantus ir išsisklaidantys priešingomis kryptimis. Jei užregistruosite šiuos gama kiekius detektoriuje, galėsite nustatyti etiketėje nurodytos medžiagos atomų vietą. Medžiaga parenkama taip, kad jos koncentracija atspindėtų smegenų ląstelių aktyvumą. Pavyzdžiui, jei kur nors padidėja gliukozės koncentracija su radioaktyvia etikete, tai reiškia, kad neuronai aktyviai ją vartoja, todėl aktyviai dirba. Jei šiuo metu tiriamasis atlieka kokią nors užduotį, tada matome, kurios smegenų sritys yra susijusios su jos įgyvendinimu. PET metodas leidžia naudoti trumpalaikius izotopus (O, N, C, F), kurie nėra labai kenksmingi pacientui.

PET taip pat gali stebėti smegenų kraujotakos pokyčius tam tikrame elgesyje. Suaktyvinus bet kurią smegenų sritį, kraujas aktyviai skuba į ją. Jei į veną patenka vanduo, pažymėtas radioaktyviu deguonimi, jis patenka į smegenų kraujagysles ir gali būti užregistruotas. Kur žymima daugiau deguonies, ten patenka daugiau kraujo, o tai reiškia, kad būtent ten aktyvumas didėja..

Nuo gramatinių forpostų iki kūrybiškumo labirintų

Su PET pagalba mokslininkai toliau tyrinėjo žmogaus kalbą visose smegenyse. Jie matė, kur vyksta kalbos informacijos apdorojimas: atskiri žodžiai, teksto prasmė, kur ji įsimenama. Jie parodė, kad medialinė ekstrastritinė žievė yra susijusi su žodžių ortografinės struktūros apdorojimu; reikšminga kairiosios viršutinės laikinosios žievės dalis (Wernicke zona) tikriausiai dalyvauja semantinėje analizėje. Žodžių tvarką analizuoja priekinė laikina žievė. Kai žmogui rodomas nuoseklus tekstas, net neprašant jo perskaityti (reikėjo tik suskaičiuoti raidės įvykių skaičių), padidėja smegenų kraujotaka, o tai reiškia, kad smegenys dalyvauja kalbiniame darbe. (Jei pateikiate atsitiktine tvarka sumaišytus žodžius, smegenys taip nereaguoja.)

Net „dieviškasis“ kūrybiškumo procesas buvo dekoduojamas, bent jau fiziologų N.P. laboratorijoje. Bekhtereva priėjo prie to. Žmogui siūloma tam tikra kūrybinė užduotis, pavyzdžiui, iš žodžių rinkinio susidaryti istoriją ir realiu laiku matyti, kurios smegenų sritys pradeda aktyviai veikti. Paaiškėjo, kad kūrybinę veiklą daugiausia lydi ryšiai tarp skirtingų smegenų sričių. Daugiausia naujų jungčių atsiranda kairėje priekinėje laikinojoje zonoje su priekinės žievės zonomis, o su užpakaline, priešingai, ryšys susilpnėja. Ryšiai tarp parietalinės ir pakaušio struktūrų nutrūksta. Ir visa tai vyksta būtent atliekant kūrybinę užduotį, tačiau jei užduotyje nėra kūrybinių elementų, tokių pokyčių nėra. Vietinė smegenų kraujotaka padidėja dešinėje prefrontalinėje žievėje, kai atliekama kūrybiškesnė užduotis, palyginti su mažiau kūrybine. Iš to mokslininkai daro išvadą, kad ši sritis yra tiesiogiai susijusi su „kūryba“.

Tyrėjus domina ir nevalingo dėmesio reiškinys: pavyzdžiui, žmogus vairuoja automobilį, klausosi radijo, kalba ir staiga akimirksniu reaguoja į variklio paspaudimą, o tai rodo, kad variklyje kažkas negerai. Dviejose laboratorijose taikant du skirtingus metodus: S.V. Medvedevas PET metodu ir Yu.D. Kropotovas, naudodamas implantuotų elektrodų metodą, rado tas pačias zonas, kuriose tokiais momentais vyksta aktyvacija - laikinojoje ir priekinėje žievėje. Aktyvinimas įvyksta reaguojant į laukiamų ir tikrųjų dirgiklių neatitikimą, pavyzdžiui, kai variklio garsas nėra toks, koks turėtų būti. Kitas reiškinys yra selektyvus dėmesys, kuris padeda kokteilių vakarėlyje nuolatiniam balsų dūzgimui sekti vieno jo dominamo pašnekovo kalbą. Matyt, prefrontalinė žievė šiuo atveju yra atsakinga už erdvinio dėmesio sutelkimą. Jis sureguliuoja dešinę arba kairę klausos žievę, priklausomai nuo to, kuri ausis gauna svarbią informaciją..

Kalbant apie smegenų kartografavimą, svarbu suprasti, kad smegenys, griežtai tariant, nėra suskirstytos į aiškiai atribotas sritis, kurių kiekviena yra atsakinga tik už savo funkciją. Viskas yra daug sudėtingiau, nes atliekant bet kokią funkciją skirtingų sričių neuronai sąveikauja tarpusavyje, sudarydami neuroninį tinklą. Tyrimas, kaip atskiri neuronai susijungia į struktūrą, o struktūra - į sistemą ir visas smegenis, yra iššūkis ateičiai.

„PET yra galingas įrankis tiriant beveik bet kokią funkciją, tačiau vien jo nepakanka“, - sako S.V. Medvedevas. - PET užduotis yra atsakyti į klausimą „kur?“, O atsakyti į klausimą „kas vyksta?“ PET reikėtų derinti su elektrofiziologiniais metodais. Kartu su britų fiziologais sukūrėme paralelinės PET ir EEG analizės sistemą, kuri viena kitą papildo. Tikriausiai toks požiūris yra ateitis “..

Prieš metus (straipsnis buvo paskelbtas 2004 m. - P. Z.) mokslininkų grupė iš šešių pasaulio šalių paskelbė sukūrusi erdvinį kompiuterinį žmogaus smegenų žemėlapį, kuris galėtų būti naudojamas žmogaus polinkiui į tam tikras ligas nustatyti. Žemėlapio kūrėjai mano, kad tam tikras ligas, tokias kaip Alzheimerio liga ar autizmas, jie jau gali susieti su skirtingomis smegenų žievės dalimis. Dabar jie yra užsiėmę savo išradimo detalių tobulinimu..

Antroji geno hipostazė

Praėjusio amžiaus 50-ųjų pradžioje kilo mintis, kad atmintis negali apsiriboti vien elektriniais procesais - norint ilgalaikį informacijos saugojimą smegenyse, ją reikia išsaugoti chemine forma. Nors tuo metu dar buvo labai bendrų minčių apie ląstelių genomą, kilo mintis, kad joje ne tik kaupiama paveldima informacija, bet ir dalyvaujama saugant informaciją, įgytą per gyvenimą..

Norėdami tai išbandyti, reikėjo išsiaiškinti, ar mokymasis skatina smegenų nukleorūgščių ir baltymų sintezę. Po to, kai tapo žinomas genomo principas - DNR → RNR → baltymas, eksperimentai tapo labiau sutelkti. Taip ir paaiškėjo. Iš karto po to, kai gyvūnai išmoko įgūdžių, jų smegenyse sustiprėja RNR sintezė. (Norėdami tai nustatyti, jiems buvo suleisti radioaktyviai pažymėti RNR pirmtakai). Tai atsitiko su pelėmis, kurios buvo išmokytos išvengti elektros smūgio reaguojant į garso signalą, ir su vištomis, kuriose ant objekto buvo sukurti įspaudai, ir auksinėmis žuvelėmis, kurios buvo mokomos plaukti su plaustu, pritvirtintu prie pilvo. Ir jei sulėtėja RNR sintezė, tada gyvūnai daro daug klaidų arba visiškai nesugeba išmokti įgūdžių.

Tuo pačiu metu smegenyse sintetinami nauji baltymai - tai taip pat buvo nustatyta įtraukiant radioaktyvius izotopus. Baltymų sintezės blokatoriai blogina ilgalaikę atmintį, nepaveikdami trumpalaikės atminties. Iš to paaiškėja, kaip veikia genai: mokantis RNR sintetinama ant DNR šablono, kuris savo ruožtu sukuria naujus baltymus. Šie baltymai pradeda veikti praėjus kelioms valandoms po informacijos gavimo, ir būtent jie užtikrina jos saugojimą. Visų šių įvykių iniciatoriai yra elektriniai procesai, vykstantys ant nervinės ląstelės membranos.

Tyrėjų grupė iš Rusijos medicinos mokslų akademijos Normaliosios fiziologijos instituto Sistemų genezės katedros, vadovaujama medicinos mokslų daktaro, Rusijos medicinos mokslų akademijos nario korespondento K.V. Anokhina užsibrėžė uždavinį rasti tyrimo metodus, kurie leistų vienu metu tirti smegenų nervų ląstelių aktyvumą, susijusį su bet kokiu elgesiu ar kognityvine (pažintine) veikla. "Pradėdami darbą buvome įsitikinę, kad informacija iš sinapsių perduodama į kitą, gilesnį lygmenį - ji prasiskverbia į ląstelės branduolį ir kažkaip pakeičia genų darbą", - sako Konstantinas Vladimirovičius. "Belieka rasti šiuos genus".

Turiu pasakyti, kad begalė genų veikia smegenų ląstelėse - žmonėms pusė visų tirtų genų yra išreikšti tik ten. Užduotis buvo rasti svarbiausius dalyvaujančius išsaugant naują informaciją iš visų jų gausos. Paiešką vainikavo sėkmė devintojo dešimtmečio viduryje, kai K.V. Anochinas ir jo kolegos atkreipė dėmesį į vadinamuosius „betarpiškus ankstyvuosius genus“. Šį vardą jie gavo dėl savo sugebėjimo pirmieji reaguoti į tarpląstelinius dirgiklius. „Ankstyvųjų“ genų vaidmuo yra „pažadinti“ kitus - vėlesnius genus. Jų produktai - reguliuojantys baltymai - transkripcijos veiksniai, veikia DNR molekulės dalis ir pradeda transkripcijos procesą - perrašo informaciją iš DNR į RNR. Galų gale „vėlyvieji“ genai sintetina savo baltymus, kurie sukelia būtinus pokyčius ląstelėje, pavyzdžiui, sukuria naujus neurono ryšius..

Smalsiausias genas

Iš visos „ankstyvųjų“ genų grupės tyrėjus labiausiai domino c-fos genas K.V. Nuo 1987 m. Anokhinas ir jo kolegos tiria šio geno vaidmenį mokantis - jų nuomone, būtent jis yra tinkamas universalaus zondo vaidmeniui smegenų žemėlapiuose. "Šis genas turi keletą unikalių savybių", - paaiškina K.V. Anochinas - Pirma, ramioje ląstelės būsenoje jis tyli, praktiškai neturi „foninio“ aktyvumo lygio. Antra, jei ląstelėje prasideda nauji informaciniai procesai, ji labai greitai į juos reaguoja, gamindama RNR ir baltymus. Trečia, jis yra universalus, tai yra, jis aktyvuojamas įvairiose centrinės nervų sistemos dalyse - nuo nugaros smegenų iki žievės. Ketvirta, jo aktyvinimas siejamas su mokymusi, tai yra su individualios patirties formavimu “. Norėdami įrodyti pastarąjį teiginį, mokslininkai atliko dešimtis eksperimentų, tiksliai patikrindami, kokioje įtakoje c-fos išeis iš požemio ir pradės veikti. Paaiškėjo, kad genas nereaguoja į labai stiprų stimuliavimą, pavyzdžiui, į šviesą, garsą ar skausmą, tais atvejais, kai smūgis neturi naujumo elementų. Bet kai tik situacija praturtinama nauja informacija, genas iškart „pabunda“.

Pavyzdžiui, eksperimento metu pelės buvo dedamos į kamerą, kur jos turėjo iškęsti lengvų, bet nemalonių elektrocutaninių dirgiklių seriją. Atsakydamas, c-fos buvo energingai ekspresuojamas keliose jų smegenų srityse - žievėje, hipokampe ir smegenėlėse. Tačiau jei ši procedūra atliekama kasdien, tai šeštą dieną genas nebeatsako. Pelės vis dar reaguoja į elektros šoką, tačiau joms tai tapo ne nauju, o tikėtinu įvykiu. Galite iš naujo suaktyvinti c-fos vėl įdėdami peles į kamerą ir netaikydami joms įprastos procedūros. Abiem atvejais genas žymi įvykį, kai išoriniai dirgikliai neatitinka individualios atminties matricos. Toks neatitikimas įvyksta bet kokiu naujos informacijos įsisavinimu, todėl c-fos yra neišvengiamas smegenų pažintinių procesų palydovas..

Kitame eksperimente dalyvavo naujagimiai viščiukai, kurie buvo suskirstyti į keturias grupes. Pirmosios grupės viščiukai išsirito tamsoje ir niekada nematė šviesos, antroji grupė pasisekė labiau - ji buvo laikoma įprastu 12 valandų šviesos ciklu, trečiosios grupės viščiukai iškart po gimimo buvo perkelti į praturtintą regėjimo aplinką, o ketvirtosios grupės viščiukai pirmiausia buvo laikomi įprastoje vietoje. sąlygomis, o antrą dieną jie buvo perkelti į praturtintą terpę. Visų eksperimentinių jauniklių metu c-fos geno išraiška buvo įvertinta antrą dieną po išsiritimo. Kas pasirodė? Pirmosiose trijose grupėse, nepaisant tokių skirtingų sąlygų, kuriomis jie praleido dvi savo trumpo gyvenimo dienas, c-fos nepasirodė. Bet ketvirtoje grupėje, kuri pakeitė aplinką į vizualiai praturtintą, c-fos tapo aktyvesnė. Ji jiems buvo nauja, o trečiosios grupės viščiukai jau buvo pripratę..

Išaugo c-fos raiška, o jaunikliams, kurie sugadino juos dominantį karoliuką, pasirodė, kad tai kartoka, ir viščiukai išmoko iš karto to išvengti ateityje. Bet apskritai paaiškėjo, kad geno suaktyvinimas visiškai nepriklauso nuo treniruotės sėkmės ir lygiai taip pat lydi klaidingus veiksmus. C-fos genas taip pat reaguoja į naują objektą - norint jį suaktyvinti, pakanka vieno naujo gyvūno pristatymo tik 10 sekundžių gyvūnui.

Tyrėjai teigė, kad c-fos ir kiti ankstyvieji genai yra pats tiltas, per kurį gyvūno individuali patirtis sąveikauja su jo genetiniu aparatu..

Ką jums pasakys smegenų genų žemėlapis

Kaip pagauti genų ekspresiją? Jį galima aptikti RNR molekulių sintezės būdu. Tam pasitarnauja vadinamoji in situ hibridizacija - metodas, leidžiantis pamatyti vietas, kur vyksta tam tikrų RNR sintezė. Galite padaryti baltymo geno produktą matomą susiedami jį su specifiniais antikūnais ir nudažydami. Visa tai, savaime suprantama, įvyksta sutvarkius gyvūno smegenis ir padarius iš jų plonas dalis. Tas pats daroma norint nustatyti c-fos išraišką. Eksperimento dalyviai turi atsargas nuo pusantros iki dviejų valandų po gyvūno treniravimo, o jo smegenyse c-fos baltymo koncentracija yra didžiausia.

Vykstant bet kokiam pažintiniam (pažintiniam) procesui smegenyse, daugelis neuronų pradeda sinchroniškai veikti skirtingose ​​srityse. Naudodami tokį įrankį kaip genų zondas, galite tiksliai pamatyti, kurie neuronai dalyvauja šiame procese. „Pavyzdžiui, galime pamatyti, kaip skiriasi žiurkės smegenys, kai ji pamato kitą žiurkę ir pamato katę“, - sako Konstantinas Vladimirovičius. - Kitaip tariant, norint sužinoti, kokias smegenų struktūras ji mato žiurkę, o kokią - katę. Panašiai, kai žmogus ekrane pamato pažįstamą veidą, pavyzdžiui, Billą Clintoną, jo smegenyse suaktyvėja „Billo Clintono atpažinimo neuronai“. Nors žmogaus smegenis tikrai daug sunkiau ištirti naudojant genų zondus. Iki šiol mokslininkai dar nepateikė genų ekspresijos smegenyse vizualizavimo metodų in vivo. "Vieno tyrimo metu buvo galima užregistruoti žmogaus c-fos išraišką smegenų audinio gabale, paimtame biopsijos analizei", - sako K.V. Anochinas. - Kiti tyrėjai ją galėjo pamatyti po smegenų mirties. Tačiau akivaizdu, kad tai nėra būtent tai, kas yra gyvose smegenyse “..

Jei vis dėlto bus sukurtas smegenų genų žemėlapis, jis parodys, kurios struktūros yra atsakingos už skirtingas atminties formas. Žvelgdamas į genų žemėlapį, neurofiziologas iškart pamatys, kur tiksliai reikia tirti neuronus, pavyzdžiui, registruojant jų elektrinį aktyvumą. Sistemų genezės skyriaus mokslininkai, naudodami c-fos, nustatė, kurios viščiuko smegenų sritys yra atsakingos už atspaudą - atspaudą. Šis metodas taip pat turi svarbių praktinių pritaikymų: jis gali būti naudojamas ieškant vaistų, galinčių pagerinti atmintį (juk tai medžiagos, kurios turėtų skatinti c-fos aktyvaciją), arba tirti, kaip alkoholis ir narkotikai veikia smegenis.

Mokslininkai atliko dešimtis eksperimentų su įvairiausiais mokymosi modeliais: maistas ir gynybinis, klasikinis ir instrumentinis, su regėjimo, klausos, skonio ir kitais dirgikliais, vienkartinis ir daugkartinis mokymas. Eksperimentuose dalyvavo pelės, žiurkės, vištos ir kiti gyvūnai. Buvo nustatyta, kad skirtingos smegenų dalys yra susijusios su skirtingais mokymosi tipais, tačiau yra ir tokių, kurios visada yra susijusios, pavyzdžiui, cingulinė žievė..

Kol fiziologai nepradėjo išsamiai paaiškinti genų aktyvacijos mechanizmo, tai yra, iš tikrųjų, jie pripažįsta, kad ne iki galo žino, kaip veikia nervinė ląstelė. Galbūt, gavęs išorinę įtaką, jis palygina jį su esamu modeliu ir, neatitikimo atveju, paleidžia genetinį mechanizmą. Tai yra įtikinamiausia hipotezė iki šiol..

Akivaizdu, kad laikui bėgant atsiras naujų techninių genų kartografavimo galimybių.Jau dabar galima tirti skirtingų genų raišką erdviniame smegenų tūryje. Praėjusiais metais „Microsoft“ įkūrėjas Paulas Allenas skyrė 100 milijonų dolerių, kad sukurtų specialų mokslo centrą, kurio užduotis būtų pavaizduoti visų ten dirbančių genų išraišką pelės smegenyse. Norint išspręsti šią problemą reikės daugiau nei vienerių metų sunkaus darbo, tačiau jos sprendimas yra labai viliojantis tikslas, nes tai yra kelias suprasti, kaip genai kontroliuoja smegenų darbą ir elgesį, taip pat ir žmonėms..

N. Markina, biologijos mokslų kandidatė
„Chemija ir gyvenimas - XXI amžius“

Žymelė: Virtualus semantinis smegenų žemėlapis

Interaktyvus 3D modelis sukurtas svarbiu tikslu

• 2016 m. Balandžio 29 d
• 5976
• 0

NAUJOJE KATEGORIJOJE „KNYGŲ ŽENKLUOSE“ pradedame kalbėti apie svetaines ir internetines paslaugas - tiek naudingas, tiek visiškai nenaudingas, bet juokingas ir nuostabias - kurias, tiesą sakant, reikėtų pridėti prie mėgstamiausių..

gallantlab.org

Žmogaus smegenys yra nuostabi sistema, todėl tyrimai, paaiškinantys šio organo veikimą, yra tokie populiarūs. Kalifornijos universiteto (Berkeley) mokslininkai sudarė interaktyvų 3D smegenų žemėlapį, parodantį, kurios mūsų smegenų dalys reaguoja išgirdus konkretų žodį. Ir į tai galima žiūrėti labai ilgai.

Septyni savanoriai, tarp jų ir patys tyrėjai, daugiau nei dvi valandas klausėsi Amerikos radijo laidos „The Moth Radio Hour“ istorijų. Šiuo metu MRT tyrėjai analizavo savanorių smegenų veiklą ir atkreipė dėmesį į tai, kurios smegenų sritys reaguoja į žodžių prasmę - jų semantiką.

Semantinis žodynas, kuris, mūsų galva, jungia žodžius su jų reikšmėmis, yra pasiskirstęs po visą smegenų žievę, abiejuose pusrutuliuose. Mokslininkai nustatė, kad kiekviena smegenų žievės dalis yra susijusi su keliais panašios temos žodžiais - pavyzdžiui, susijusi su kategorijomis „šeima“, „pastatai“ ar „drabužiai“. Paaiškėjo, kad tam tikrų semantinių laukų vieta koreliuoja su funkcija, kurią atlieka šios smegenų sritys: pavyzdžiui, smegenų sritys, kurios yra arti regos žievės, reaguoja į vizualines sąvokas, pavyzdžiui, spalvų pavadinimus. Kelios smegenų dalys gali reaguoti į daugiasemius žodžius vienu metu - priklausomai nuo vienos ar kitos žodžio reikšmės. Kiekvieno tyrimo dalyvio smegenų semantinių laukų vietos niuansai buvo skirtingi, tačiau bendri bruožai buvo atsekti visuose.

Trimatis modelis leidžia pamatyti, į kuriuos žodžius reaguoja tam tikra mūsų smegenų dalis. Kiekvienas semantinis atlaso laukas nurodomas savo spalva: pavyzdžiui, smegenų sritys, kurios reaguoja į žodžius, susijusius su regimu suvokimu, yra paryškintos žalia spalva, o sritys, kurios reaguoja į žodžius, žyminčius kūno dalis, - geltonai. Spustelėję tam tikros spalvos smegenų sritį, galite pamatyti konkrečius žodžius, į kuriuos reagavo tyrimo dalyviai. Nepaisant to, kad visa tai atrodo kaip jaudinantis žaidimas, mokslininkų tikslai yra daug rimtesni: jie tikisi, kad šis tyrimas padės žmonėms, sergantiems amiotrofine šonine skleroze, nemokantiems kalbėti, pradėti bendrauti su kitais naudojantis kompiuteriu..

Kaip smegenų ląstelės žymi prisiminimus?

Žmogaus atmintis yra selektyvi ir tam yra daugybė priežasčių. Neseniai neuromokslininkai atrado įdomų aspektą, kaip veikia mūsų atmintis. Kai smegenys turi prisiminti informaciją, susijusią su konkrečia vieta, atskiri neuronai nukreipia į konkrečius prisiminimus. „Pagrindinis atminties bruožas yra mūsų gebėjimas atrankiai prisiminti tam tikrus įvykius, net jei jie įvyko tokioje pačioje aplinkoje, kaip ir kiti įvykiai“, - rašo mokslininkai žurnale „Nature Neuroscience“ paskelbtame straipsnyje..

Taip atrodo žmogaus smegenų neuronų žemėlapis.

Kaip smegenys parenka prisiminimus?

Jei jūsų paprašys rekomenduoti dažnai lankomo miesto kelionės maršrutą, gali kilti mintys apie skirtingų kelionių vietų prisiminimus. Kelių universitetų mokslininkai, įskaitant Kolumbijos universitetą Niujorke ir Emory universitetą Atlantoje (JAV), ištyrė atskirus neuronus - vadinamąsias „atminties ląsteles“ - 19 pacientų, kuriems buvo atlikta smegenų operacija gydant epilepsiją..

Pacientai atliko užduotį įvertinti erdvinės atminties darbą. Atlikdami užduotį tiriamieji buvo pastatyti ant kelio naudojant virtualios realybės (VR) akinius ir paprašyti paspausti mygtuką, kai jie susiduria su konkrečiais objektais. Vykdydami užduotį, mokslininkai paprašė dalyvių nueiti keliu ir pažymėti tolimo objekto vietą. Ištyrę medialinę laikinę skiltį (MTL) ir ypač vidurinės žievės dalį, mokslininkai nustatė, kad ląstelės, stebinčios atmintį, buvo „erdviškai sureguliuotos“ tam tikrai vietai ir tada galėjo gauti informaciją apie vietą, kurią žmogus turėjo atsiminti..

Kokius dar nuostabius atminties aspektus žinote? Galite aptarti šį klausimą komentaruose ir su mūsų pokalbio „Telegram“ dalyviais.

Mokslininkų darbas rodo, kad žmogaus smegenų neuronai seka įvykius, kuriuos mes tyčia prisimename, ir galime pakeisti jų veiklos modelius, kad atskirtume prisiminimus. Jie yra tarsi taškai „Google“ žemėlapyje, žymintys vietas, kur įvyko svarbūs jūsų gyvenimo įvykiai. Šis atradimas galėtų būti potencialus mechanizmas, leidžiantis selektyviai naudoti skirtingas praeities patirtis ir padėti specialistams suprasti, kaip šie prisiminimai veikia erdvinį žmogaus smegenų žemėlapį..

Taip atrodo aktyvus neuronas.

Anksčiau mokslininkai jau bandė išsiaiškinti, kaip tai padaryti. Jie nustatė, kad neuroninio tinklo ląstelės yra labai svarbios erdvinės atminties darbui, nes ji veikia panašiai kaip GPS sistema. Erdvinis neuronų derinimas yra idėja, kad pavieniai neuronai yra „iššaudomi, kad navigacijos metu atspindėtų vietą aplinkoje“. Ankstesniuose darbuose buvo daroma prielaida, kad erdviškai sureguliuotos ląstelės perduoda savo paleidimo modelius skirtingose ​​aplinkose, todėl įvykiai, vykstantys skirtingose ​​vietose, yra susiję su skirtingais erdviniais žemėlapiais “, - aiškina tyrėjai..

Perskaitykite naujausias mokslo ir aukštųjų technologijų naujienas mūsų kanale „Yandex.Zen“.

Remdamiesi šiuo darbu, mokslininkai iškėlė hipotezę, kad atskiri MTL, o ypač entorhinalinės žievės, neuronai parodys tam tikrą „erdvinį neuronų susilyginimą“, modeliuojantį pagal ankstesnę patirtį. Pasirodo, kad žmogaus smegenys sukuria tikrą prisiminimų žemėlapį..

Šiandien daugeliui antidepresantai yra vienintelis būdas įveikti nerimą ir stresą. Nepaisant to, kad šie vaistai buvo pradėti kurti praėjusio amžiaus 50-aisiais, mokslininkai vis dar tiksliai nežino, kaip veikia kai kurie antidepresantai. Tačiau tai, kad jie veiksmingi daugeliui žmonių, nekelia abejonių, kitaip šie vaistai [...]

2012 m. Moksliniame žurnale „Discover“ buvo kalbama apie Theodore'ą Nashą, amerikiečių gydytoją, kuris per metus priima tik kelias dešimtis pacientų. Šis klientų skaičius gali atrodyti nereikšmingas, tačiau, įvertinus, kokius skundus žmonės kreipiasi į gydytoją, situacija tampa aiškesnė. Amerikos gydytojo pacientai negali sklandžiai vaikščioti, jiems sunku kalbėti, jie yra paralyžiuoti vienu...

Liūdesys ir melancholija kartais užvaldo kiekvieną žmogų ir tai yra visiškai normalu. Bet, jei žmogus nuolat galvoja apie neigiamas mintis ir nerimauja dėl mažiausių smulkmenų, tai jau yra didelė problema. Londono universiteto mokslininkai neseniai atliko tyrimą ir nustatė, kad reguliarus nerimas dėl praeities ir ateities lemia kenksmingų medžiagų kaupimąsi smegenyse. Vėliau jis tampa [...]

Mikronizuotas smegenų atlasas tampa viešas

Amerikos mokslininkai parengė išsamų žmogaus smegenų atlasą, kurio skiriamoji geba iki šiol yra didžiausia. Interaktyvią elektroninę versiją galima rasti atitinkamame šaltinyje, o spausdinta versija užėmė visą dabartinį „Journal of Comparative Neurology“ numerį..

Išsamus anatominės ir mikroskopinės smegenų struktūros aprašymas yra būtinas norint suprasti jų vystymąsi, funkcijas ir ligas. Tačiau turimi žmogaus smegenų atlasai yra daug mažiau išsamūs (tiek išsamumo, tiek skiriamosios gebos požiūriu) nei kirminų, musių ar paukščių smegenų atlasai. To priežastis yra techniniai apribojimai dėl žmogaus smegenų dydžio ir sudėtingumo..

Norėdami sukurti savo atlasą, Aleno smegenų tyrimų instituto mokslininkai naudojo daugybę spindulių ir histologinių vaizdų metodų. Pirmajame savo darbo etape jie atliko magnetinių rezonansų ir difuzijos tenzoriaus vaizdus iš viso smegenų, ištrauktų per 34 metų moters autopsiją. Po to iš smegenų buvo paruoštos ištisų pusrutulių mikroskopijos, mikroskopuotos Nisslio medžiaga ir imunohistocheminiu dažymu, kuriam mokslininkai turėjo sukurti specialų skaitytuvą. Dėl to buvo gauti 1356 didelio formato vaizdai, kurių skiriamoji geba yra pikselių pikseliuose, o tai atitinka vienos ląstelės dydį. Tų pačių smegenų naudojimas leido integruoti tomografijos ir mikroskopijos duomenis į holistinį informacijos šaltinį.

Aleno smegenų atlasas

Žmogaus smegenų „Allen“ informaciniame atlase yra informacijos apie 862 smegenų regionus, įskaitant 117 baltosios medžiagos ryšulių ir kelias anksčiau nenustatytas struktūras. Neokortekso (neokortekso) aprašymas buvo atliktas kartu su atskirais Brodmanno susisukimais, vagomis ir modifikuotais citoarchitektoniniais laukais. Tai leidžia jums sujungti šių struktūrų anatomines ir korines savybes.

Interaktyvus skaitmeninis atlasas taip pat yra integruotas su anksčiau sukurtu genų ekspresijos smegenyse atlasu Alleno institute..

„Atlasas reiškia nukrypimą nuo klasikinių leidinių pagal leidinio formatą. Šiandien jis vienas sujungia recenzuojamo mokslinio leidinio griežtumą su pristatymu knygos ir viešai prieinamo interaktyvaus internetinio šaltinio forma “, - sakė projekto dalyvis ir„ Journal of Comparative Neurology “vyriausiasis redaktorius Patrickas Hofas..

„Allen Human Brain Reference Atlas“ yra skirtas neurologams, neuromokslininkams, kitų specialybių mokslininkams ir tiesiog mokslo mylėtojams. Autoriai planuoja jį papildyti smegenų žemėlapiais, gautais atliekant funkcinius ir citologinius tyrimus. Tokie papildymai gali būti, pavyzdžiui, išsamus smegenų žievės funkcinių sričių žemėlapis, gautas naudojant mašininį mokymąsi, ir smegenų semantinio žodyno žemėlapis, sudarytas naudojant funkcinį MRT..

Neseniai japonų mokslininkams pirmą kartą pavyko sukurti pilną vaisinės musės Drosophila smegenų pusrutulio neuronų jungčių (konektomo) modelį..