hjem » engelske språk » Nevrovitenskapsmann hvor du skal studere. Nevrobiologi. Nevrovitenskap - fjernundervisning

Nevrovitenskapsmann hvor du skal studere. Nevrobiologi. Nevrovitenskap - fjernundervisning

Nevrobiologi studerer nervesystemet til mennesker og dyr, med tanke på spørsmål om struktur, funksjon, utvikling, fysiologi, patologi nervesystemet og hjerne. Nevrobiologi er et veldig bredt vitenskapelig felt, som dekker mange områder, for eksempel nevrofysiologi, nevrokjemi, nevrogenetikk. Nevrobiologi er nært knyttet til kognitiv vitenskap, psykologi, og er stadig mer innflytelsesrik i studiet av sosiopsykologiske fenomener.

Studiet av nervesystemet generelt og hjernen spesielt kan finne sted på molekylært eller cellulært nivå, når strukturen og funksjonen til individuelle nevroner studeres, på nivået av individuelle klynger av nevroner, så vel som på nivå med individuelle systemer (hjernebark, hypothalamus, etc.) og hele nervesystemet som helhet, inkludert hjernen, ryggmargen og hele nettverket av nevroner i menneskekroppen.

Nevrovitenskapsmenn kan løse helt andre problemer og svare noen ganger på de mest uventede spørsmålene. Hvordan gjenopprette hjernefunksjonen etter et hjerneslag og hvilke celler i menneskelig hjernevev som påvirket utviklingen - alle disse spørsmålene er innenfor nevrovitenskapenes kompetanse. Og også: hvorfor kaffe styrker, hvorfor vi ser drømmer og er det mulig å kontrollere dem, hvordan gener bestemmer vår karakter og struktur i psyken, hvordan funksjonen til det menneskelige nervesystemet påvirker oppfatningen av smaker og lukter, og mange, mange andre.

Et av de lovende forskningsområdene innen nevrobiologi i dag er studiet av sammenhengen mellom bevissthet og handling, det vil si hvordan tanken på å utføre en handling fører til dens fullføring. Disse utviklingene er grunnlaget for etableringen av fundamentalt nye teknologier, som vi foreløpig ikke har noen formening om, eller de som begynner å utvikle seg raskt. Et eksempel på dette er opprettelsen av sensitive lemproteser som fullstendig kan gjenopprette funksjonaliteten til et tapt lem.

I følge eksperter, i tillegg til å løse "alvorlige" problemer, kan utviklingen av nevroforskere snart brukes til underholdningsformål, for eksempel i industrien dataspill, for å gjøre dem enda mer realistiske for spilleren, når du lager spesielle sportseksoskjeletter, så vel som i militærindustrien.

Temaene for studier i nevrobiologi, til tross for mye forskning på dette området og økt interesse fra det vitenskapelige miljøet, blir ikke mindre. Derfor vil flere generasjoner av forskere måtte løse mysteriene som ligger i menneskets hjerne og nervesystem.

En nevrovitenskapsmann er en vitenskapsmann som jobber i et av feltene innen nevrovitenskap. Han kan engasjere seg i grunnleggende vitenskap, det vil si utføre forskning, observasjoner og eksperimenter, danne nye teoretiske tilnærminger, finne nye generelle mønstre som kan forklare opprinnelsen til spesielle tilfeller. I dette tilfellet er forskeren interessert i generelle spørsmål om hjernens struktur, egenskapene til samspillet mellom nevroner, studerer årsakene til nevrologiske sykdommer, etc.

På den annen side kan en vitenskapsmann vie seg til praksis, og bestemme hvordan han skal anvende kjent grunnleggende kunnskap for å løse spesifikke problemer, for eksempel ved behandling av sykdommer forbundet med forstyrrelser i nervesystemet.

Hver dag står spesialister overfor følgende problemer:

1. hvordan hjernen og nevrale nettverk fungerer på ulike nivåer av interaksjon, fra celle- til systemnivå;

2. hvordan kan hjernereaksjoner måles pålitelig;

3. hvilke sammenhenger, funksjonelle, anatomiske og genetiske, kan spores i arbeidet til nevroner på ulike nivåer av interaksjon;

4. hvilke indikatorer på hjernefunksjon som kan betraktes som diagnostiske eller prognostiske i medisinen;

5. hva medisiner bør utvikles for behandling og beskyttelse av patologiske tilstander og nevrodegenerative sykdommer i nervesystemet.

Hvordan bli spesialist?

Ekstrautdanning

Finn ut mer om mulige karriereforberedende programmer mens du fortsatt er i skolealder.

Grunnleggende yrkesfaglig utdanning

Prosentandeler reflekterer fordelingen av spesialister med et visst utdanningsnivå på arbeidsmarkedet. Sentrale spesialiseringer for å mestre yrket er markert med grønt.

Evner og ferdigheter

Arbeid med informasjon. Ferdigheter i å søke, bearbeide og analysere mottatt informasjon
En integrert tilnærming til problemløsning. Evnen til å se et problem helhetlig, i sammenheng og, basert på dette, velge den nødvendige mengden av tiltak for å løse det
Programmering. Ferdigheter i å skrive kode og feilsøke den
Observasjoner. Ferdigheter i å gjennomføre vitenskapelige observasjoner, registrere de oppnådde resultatene og analysere dem
Naturvitenskapelige ferdigheter. Evne til å anvende kunnskap i feltet naturvitenskap når du skal løse faglige problemer
Forskningsferdigheter. Evne til å utføre forskning, sette opp eksperimenter, samle inn data
Matematikkferdigheter. Evne til å anvende matematiske teoremer og formler ved løsning av faglige problemer
Systemvurdering. Evnen til å bygge et system for å vurdere ethvert fenomen eller objekt, velge vurderingsindikatorer og gjennomføre en vurdering basert på dem

Interesser og preferanser

Analytisk tenkning. Evne til å analysere og forutsi en situasjon, trekke konklusjoner basert på tilgjengelige data, og etablere årsak-virkningsforhold
Kritisk tenking. Evne til å tenke kritisk: veie fordeler og ulemper, styrker og svakheter ved hver tilnærming til å løse et problem og hvert mulig resultat
Matematiske evner. Evne til matematikk og eksakte vitenskaper, forståelse av logikken til matematiske bestemmelser og teoremer
Læringsevne. Evne til raskt å absorbere ny informasjon, bruk det i videre arbeid
Assimilering av informasjon. Evnen til raskt å oppfatte og assimilere ny informasjon
Fleksibilitet i tenkning. Evnen til å operere med flere regler samtidig, kombinere dem og utlede den mest relevante atferdsmodellen
Åpenhet for nye ting. Evne til å holde seg à jour med ny teknisk informasjon og arbeidsrelatert kunnskap
Visualisering. Oppretting i fantasien av detaljerte bilder av de gjenstandene som må oppnås som et resultat av arbeidet
Organisering av informasjon. Evnen til å organisere data, informasjon og ting eller handlinger i en bestemt rekkefølge i henhold til en bestemt regel eller et sett med regler
Oppmerksomhet på detaljer. Evne til å konsentrere seg om detaljer når du fullfører oppgaver
Hukommelse. Evne til raskt å huske betydelige mengder informasjon

Yrke i personer

Olga Martynova

Alexander Surin

Vekten av hjernen er 3-5 % av en persons totale vekt. Og dette er det største hjerne-til-kroppsvektforholdet i dyreriket.

Du kan gå inn i yrket med en teknisk og matematisk utdannelse, siden det i økende grad kreves spesialister som kjenner komplekse metoder for statistisk analyse av store datamengder og som kan jobbe med Big Data.

Nevrovitenskapsmenn kan finne arbeid ved avdelinger for nevrologi, nevropsykiatri, etc. Moskva byklinikker og klinikker. I vitenskapelige organisasjoner vil spesialister innen nevrobiologi øke nivået av Vitenskapelig forskning funksjon av nervesystemet under normale forhold og ved sykdommer; i medisinske institusjoner vil de forbedre kvaliteten på diagnostisering av sykdommer og redusere tiden for å stille diagnoser; vil bidra til utvikling av progressive behandlingsstrategier.

Hjernen og nervesystemet som helhet er kanskje mest et komplekst system kropp. 70 % av det menneskelige genomet sikrer dannelsen og funksjonen til hjernen. Mer enn 100 milliarder cellekjerner lokalisert i den menneskelige hjernen, er dette mer enn stjerner i området som er synlig for mennesker.

I dag har forskere og leger lært å transplantere og erstatte nesten alle vev og organer i menneskekroppen. Hver dag utføres mange nyre-, lever- og til og medr. En hodetransplantasjonsoperasjon var imidlertid vellykket bare én gang, da den sovjetiske kirurgen V. Demikhov transplanterte et annet hode til en frisk hund. Det er kjent at han utførte mange lignende eksperimenter på hunder, og i ett tilfelle levde en slik tohodet skapning i nesten en måned. I dag utføres det også lignende forsøk på dyr for å smelte sammen hjernen og ryggmargen under transplantasjon, som er det viktigste problemet ved denne typen operasjoner, men forskerne er langt fra å utføre slike operasjoner på; mennesker. Hode- eller hjernetransplantasjoner kan hjelpe lammede mennesker, de som ikke kan kontrollere kroppene sine, men spørsmålet om etikken ved hodetransplantasjoner er fortsatt åpent.

Nevrobiologi studerer nervesystemet til mennesker og dyr, med tanke på spørsmål om struktur, funksjon, utvikling, fysiologi, patologi til nervesystemet og hjernen. Nevrobiologi er et veldig bredt vitenskapelig felt som dekker mange områder, for eksempel nevrofysiologi, nevrokjemi, nevrogenetikk. Nevrobiologi er nært knyttet til kognitiv vitenskap, psykologi, og er stadig mer innflytelsesrik i studiet av sosiopsykologiske fenomener.

I følge eksperter, i tillegg til å løse "alvorlige" problemer, kan utviklingen av nevroforskere snart brukes til underholdningsformål, for eksempel i dataspillindustrien for å gjøre dem enda mer realistiske for spilleren, i opprettelsen av spesielle sportseksoskjeletter , så vel som i militærindustrien.

Hver dag står spesialister overfor følgende problemer:

1. hvordan hjernen og nevrale nettverk fungerer på ulike nivåer av interaksjon, fra celle- til systemnivå;

2. hvordan kan hjernereaksjoner måles pålitelig;

3. hvilke sammenhenger, funksjonelle, anatomiske og genetiske, kan spores i arbeidet til nevroner på ulike nivåer av interaksjon;

4. hvilke indikatorer på hjernefunksjon som kan betraktes som diagnostiske eller prognostiske i medisinen;

5. hvilke legemidler som bør utvikles for behandling og beskyttelse av patologiske tilstander og nevrodegenerative sykdommer i nervesystemet.

Anatoly Buchin

Hvor studerte du: Fakultet for fysikk og mekanikk Polyteknisk universitet, Ecole Normale Supérieure i Paris. På dette øyeblikket- postdoktor ved University of Washington.

Hva han studerer: beregningsmessig nevrovitenskap

Spesielle funksjoner: spiller saksofon og fløyte, gjør yoga, reiser mye

Min interesse for vitenskap oppsto i barndommen: Jeg ble fascinert av insekter, samlet dem, studerte livsstilen og biologien deres. Mamma la merke til dette og brakte meg til Laboratory of Ecology of Marine Benthos (LEMB) (benthos er en samling av organismer som lever på bakken og i jorda i bunnen av reservoarer. - Merk utg.) ved St. Petersburg City Palace of Youth Creativity. Hver sommer, fra 6. til 11. klasse, dro vi på ekspedisjoner til Hvitehavet i Kandalaksha naturreservat for å observere virvelløse dyr og måle antallet deres. Samtidig deltok jeg i biologiske olympiader for skolebarn og presenterte resultatene av arbeidet mitt på ekspedisjoner som vitenskapelig forskning. På videregående ble jeg interessert i programmering, men å gjøre det utelukkende var ikke særlig interessant. Jeg var god i fysikk, og jeg bestemte meg for å finne en spesialisering som ville kombinere fysikk og biologi. Slik endte jeg opp på Polytechnic.

Første gang jeg kom til Frankrike etter min lavere grad var da jeg vant et stipend for å studere for et masterprogram ved René Descartes University i Paris. Jeg gjorde mange praksisplasser i laboratorier, lærte å registrere neuronal aktivitet i hjerneskiver og analysere responsene nerveceller i kattens visuelle cortex under presentasjon av en visuell stimulus. Etter å ha mottatt mastergraden min, reiste jeg tilbake til St. Petersburg for å fullføre studiene mine ved Polytechnic University. I det siste året av mastergraden min forberedte veilederen min og jeg et russisk-fransk prosjekt for å skrive en avhandling, og jeg vant finansiering ved å delta i École Normale Supérieure-konkurransen. De siste fire årene har jeg jobbet under dobbel vitenskapelig veiledning – Boris Gutkin i Paris og Anton Chizhov i St. Petersburg. Kort tid før jeg var ferdig med avhandlingen dro jeg på en konferanse i Chicago og lærte om en postdoktorstilling ved University of Washington. Etter intervjuet bestemte jeg meg for å jobbe her de neste to-tre årene: Jeg likte prosjektet, og min nye veileder, Adrienne Fairhall, og jeg hadde lignende vitenskapelige interesser.

Om beregningsmessig nevrovitenskap

Studieobjektet for beregningsnevrobiologi er nervesystemet, så vel som dets mest interessante del - hjernen. For å forklare hva dette har med å gjøre matematisk modellering, vi må snakke litt om historien til denne unge vitenskapen. På slutten av 80-tallet publiserte tidsskriftet Science en artikkel der de først begynte å snakke om computational neurobiology, et nytt tverrfaglig felt innen nevrovitenskap som omhandler beskrivelse av informasjon og dynamiske prosesser i nervesystemet.

På mange måter ble grunnlaget for denne vitenskapen lagt av biofysiker Alan Hodgkin og nevrofysiolog Andrew Huxley (bror til Aldous Huxley. - Merk utg.). De studerte mekanismene for generering og overføring av nerveimpulser i nevroner, og valgte blekksprut som modellorganisme. På den tiden var mikroskoper og elektroder langt fra moderne, og blekksprut hadde så tykke aksoner (prosessene som nerveimpulser går gjennom) at de var synlige selv for det blotte øye. Dette har hjulpet blekksprutaksoner til å bli en nyttig eksperimentell modell. Oppdagelsen til Hodgkin og Huxley var at de forklarte, ved hjelp av eksperiment og en matematisk modell, at genereringen av en nerveimpuls utføres ved å endre konsentrasjonen av natrium- og kaliumioner som passerer gjennom membranene til nevroner. Deretter viste det seg at denne mekanismen er universell for nevroner fra mange dyr, inkludert mennesker. Det høres uvanlig ut, men ved å studere blekksprut kunne forskere lære hvordan nevroner overfører informasjon hos mennesker. Hodgkin og Huxley mottok Nobelprisen for sin oppdagelse i 1963.

Beregningsnevrobiologiens oppgave er å systematisere en enorm mengde biologiske data om informasjon og dynamiske prosesser som skjer i nervesystemet. Med utviklingen av nye metoder for å registrere nevral aktivitet, vokser mengden data om hjernefunksjon hver dag. Bokvolum Nobelprisvinner Eric Kandelas "Principles of Neural Science", som skisserer grunnleggende informasjon om hvordan hjernen fungerer, øker med hver ny utgave: boken begynte med 470 sider, og nå er størrelsen mer enn 1700 sider. For å systematisere et så stort sett med fakta, trengs teorier.

Om epilepsi

Omtrent 1 % av verdens befolkning lider av epilepsi – det er 50–60 millioner mennesker. En av de radikale behandlingsmetodene er å fjerne området av hjernen der angrepet har sitt utspring. Men det er ikke så enkelt. Omtrent halvparten av epilepsi hos voksne forekommer i tinninglappen i hjernen, som er koblet til hippocampus. Denne strukturen er ansvarlig for dannelsen av nye minner. Hvis en persons to hippocampi kuttes ut på hver side av hjernen, vil de miste evnen til å huske nye ting. Det vil være som en kontinuerlig Groundhog Day, siden en person bare vil kunne huske noe i 10 minutter. Essensen av min forskning var å forutsi mindre radikale, men andre mulige og effektive måter å bekjempe epilepsi. I min avhandling forsøkte jeg å forstå hvordan et epileptisk anfall begynner.

For å forstå hva som skjer med hjernen under et angrep, forestill deg at du kom på en konsert og på et tidspunkt eksploderte salen av applaus. Du klapper i din egen rytme, og menneskene rundt deg klapper i en annen rytme. Hvis nok et stort nummer av folk begynner å klappe på samme måte, det vil være vanskelig for deg å fortsette å følge rytmen din og du vil mest sannsynlig begynne å klappe sammen med alle andre. Epilepsi fungerer på lignende måte når nevroner i hjernen begynner å bli høysynkroniserte, det vil si generere impulser samtidig. Denne synkroniseringsprosessen kan involvere hele områder av hjernen, inkludert de som kontrollerer bevegelse, og forårsake et anfall. Selv om de fleste anfall er preget av fravær av anfall, fordi epilepsi ikke alltid forekommer i de motoriske områdene.

La oss si at to nevroner er forbundet med eksitatoriske forbindelser i begge retninger. En nevron sender en impuls til en annen, som eksiterer den, og den sender impulsen tilbake. Hvis de eksitatoriske forbindelsene er for sterke, vil dette føre til økt aktivitet på grunn av utveksling av impulser. Normalt skjer ikke dette, siden det er hemmende nevroner som reduserer aktiviteten til altfor aktive celler. Men hvis hemmingen slutter å fungere som den skal, kan det føre til epilepsi. Dette skyldes ofte overdreven akkumulering av klor i nevroner. I arbeidet mitt utviklet jeg meg matematisk modell nettverk av nevroner, som kan gå inn i epilepsimodus på grunn av patologien til inhibering assosiert med akkumulering av klor inne i nevroner. I dette ble jeg hjulpet av registreringer av aktiviteten til nevroner i menneskelig vev oppnådd etter operasjoner på epileptiske pasienter. Den konstruerte modellen lar oss teste hypoteser angående mekanismene for epilepsi for å avklare detaljene i denne patologien. Det viste seg at gjenoppretting av klorbalansen i pyramidale nevroner kan bidra til å stoppe et epileptisk angrep ved å gjenopprette balansen mellom eksitasjon - hemming i nettverket av nevroner. Min andre veileder, Anton Chizhov ved det fysisk-tekniske instituttet i St. Petersburg, mottok nylig et stipend fra Russian Science Foundation for studiet av epilepsi, så denne forskningslinjen vil fortsette i Russland.

I dag er det mange interessante verk i Computational Neuroscience. For eksempel er det i Sveits et Blue Brain Project, hvis mål er å beskrive så detaljert som mulig en liten del av hjernen - den somatosensoriske cortex av rotten, som er ansvarlig for å utføre bevegelser. Selv i den lille hjernen til en rotte er det milliarder av nevroner, og de er alle koblet til hverandre på en bestemt måte. For eksempel, i cortex, danner en pyramideformet nevron forbindelser med omtrent 10 000 andre nevroner. Blue Brain Project registrerte aktiviteten til rundt 14 000 nerveceller, karakteriserte formen deres og rekonstruerte rundt 8 000 000 forbindelser mellom dem. Deretter koblet de ved hjelp av spesielle algoritmer nevronene sammen på en biologisk plausibel måte slik at aktivitet kunne dukke opp i et slikt nettverk. Modellen bekreftet de teoretisk funnet prinsippene for kortikal organisering – for eksempel balansen mellom eksitasjon og inhibering. Og nå i Europa er det et stort prosjekt som heter Human Brain Project. Den skal beskrive hele den menneskelige hjernen, tatt i betraktning alle data som er tilgjengelig i dag. Dette internasjonale prosjektet er en slags Large Hadron Collider fra nevrovitenskap, siden rundt hundre laboratorier fra mer enn 20 land deltar i det.

Kritikere av Blue Brain Project og Human Brain Project har stilt spørsmål ved hvor viktig den store mengden detaljer er for å beskrive hvordan hjernen fungerer. Til sammenligning, hvor viktig er beskrivelsen av Nevskij Prospekt i St. Petersburg på et kart der bare kontinenter er synlige? Imidlertid er det absolutt viktig å prøve å samle en enorm mengde data. I verste fall, selv om vi ikke helt forstår hvordan hjernen fungerer, kan vi bruke den i medisin etter å ha bygget en slik modell. For eksempel å studere mekanismene til ulike sykdommer og modellere virkningen av nye medikamenter.

I USA er prosjektet mitt viet til å studere nervesystemet til Hydra. Til tross for at selv i skolebiologiske lærebøker er det en av de første studerte, er nervesystemet fortsatt dårlig forstått. Hydra er en slektning av maneten, så den er like gjennomsiktig og har et relativt lite antall nevroner - fra 2 til 5 tusen. Derfor er det mulig å registrere aktivitet fra praktisk talt alle celler i nervesystemet samtidig. For dette formålet brukes et verktøy som "kalsiumavbildning". Faktum er at hver gang et nevron går ut, endres kalsiumkonsentrasjonen inne i cellen. Hvis vi legger til en spesiell maling som begynner å gløde når kalsiumkonsentrasjonen øker, vil vi hver gang det genereres en nerveimpuls se en karakteristisk glød, som vi kan bestemme aktiviteten til nevronet med. Dette gjør at aktivitet kan registreres i et levende dyr under oppførsel. Analyse av slik aktivitet vil tillate oss å forstå hvordan hydras nervesystem styrer bevegelsen. Analogier hentet fra slik forskning kan brukes til å beskrive bevegelsen til mer komplekse dyr, for eksempel pattedyr. Og på lang sikt - i neuroengineering for å skape nye systemer for å kontrollere nervøs aktivitet.

Om betydningen av nevrovitenskap for samfunnet

Hvorfor nevrovitenskap er så viktig å Moderne samfunn? For det første er det en mulighet til å utvikle nye behandlinger for nevrologiske sykdommer. Hvordan kan du finne en kur hvis du ikke forstår hvordan den fungerer på nivå med hele hjernen? Min veileder i Paris, Boris Gutkin, som også jobber på Videregående skoleøkonomi i Moskva, studerer kokain- og alkoholavhengighet. Arbeidet hans er viet til å beskrive de endringene i forsterkningssystemet som fører til avhengighet. For det andre er dette nye teknologier - spesielt nevroproteser. For eksempel vil en person som ble stående uten arm, takket være et implantat implantert i hjernen, kunne kontrollere kunstige lemmer. Alexey Osadchiy ved HMS er aktivt involvert i dette området i Russland. For det tredje, på lang sikt er dette en inngang til IT, nemlig maskinlæringsteknologi. For det fjerde er dette utdanningsområdet. Hvorfor tror vi for eksempel at 45 minutter er den mest effektive timelengden på skolen? Dette problemet kan være verdt å utforske bedre ved å bruke innsikt fra kognitiv nevrovitenskap. På denne måten kan vi bedre forstå hvordan vi kan undervise mer effektivt på skoler og universiteter og hvordan vi kan planlegge arbeidsdagene våre mer effektivt.

Om nettverksbygging i naturfag

I vitenskapen er spørsmålet om kommunikasjon mellom forskere svært viktig. Nettverksbygging krever deltakelse på vitenskapelige skoler og konferanser for å holde seg à jour med den nåværende situasjonen. Vitenskapelig skole er en så stor fest: i en måned befinner du deg blant andre doktorgradsstudenter og postdoktorer. I løpet av studiene kommer kjente forskere til deg og snakker om arbeidet deres. Samtidig jobber du med et individuelt prosjekt, og du blir veiledet av noen mer erfarne. Det er like viktig å opprettholde et godt forhold til lederen din. Dersom en masterstudent ikke har gode anbefalingsbrev, blir han neppe tatt opp i praksis. Praksisplassen avgjør om han skal ansettes for å skrive avhandlingen. Fra resultatene av avhandlingen - videre vitenskapelig liv. På hvert av disse stadiene ber de alltid om tilbakemelding fra lederen, og hvis en person ikke fungerte veldig bra, vil dette bli kjent ganske raskt, så det er viktig å verdsette omdømmet ditt.

Når det gjelder langsiktige planer, planlegger jeg å ta flere postdoktorer før jeg finner en fast stilling ved et universitet eller forskningslaboratorium. Dette krever et tilstrekkelig antall publikasjoner, som for tiden pågår. Hvis alt går bra, har jeg tanker om å reise tilbake til Russland om noen år for å organisere mitt eget laboratorium eller vitenskapelige gruppe her.

Anatoly Buchin

Hvor han studerte: Fakultet for fysikk og mekanikk ved Polytechnic University, Ecole Normale Supérieure i Paris. For tiden postdoc ved University of Washington.

Hva han studerer: beregningsmessig nevrovitenskap

Spesielle funksjoner: spiller saksofon og fløyte, gjør yoga, reiser mye

Første gang jeg kom til Frankrike etter min lavere grad var da jeg vant et stipend for å studere for et masterprogram ved René Descartes University i Paris. Jeg internerte mye i laboratorier og lærte å registrere neuronal aktivitet i hjerneskiver og analysere responsene til nerveceller i en katts visuelle cortex under presentasjonen av en visuell stimulus. Etter å ha mottatt mastergraden min, reiste jeg tilbake til St. Petersburg for å fullføre studiene mine ved Polytechnic University. I det siste året av mastergraden min forberedte veilederen min og jeg et russisk-fransk prosjekt for å skrive en avhandling, og jeg vant finansiering ved å delta i École Normale Supérieure-konkurransen. De siste fire årene har jeg jobbet under dobbel vitenskapelig veiledning – Boris Gutkin i Paris og Anton Chizhov i St. Petersburg. Kort tid før jeg var ferdig med avhandlingen dro jeg på en konferanse i Chicago og lærte om en postdoktorstilling ved University of Washington. Etter intervjuet bestemte jeg meg for å jobbe her de neste to-tre årene: Jeg likte prosjektet, og min nye veileder, Adrienne Fairhall, og jeg hadde lignende vitenskapelige interesser.

Om beregningsmessig nevrovitenskap

Studieobjektet for beregningsnevrobiologi er nervesystemet, så vel som dets mest interessante del - hjernen. For å forklare hva matematisk modellering har med det å gjøre, må vi snakke litt om historien til denne unge vitenskapen. På slutten av 80-tallet publiserte tidsskriftet Science en artikkel der de først begynte å snakke om computational neurobiology, et nytt tverrfaglig felt innen nevrovitenskap som omhandler beskrivelse av informasjon og dynamiske prosesser i nervesystemet.

Beregningsnevrobiologiens oppgave er å systematisere en enorm mengde biologiske data om informasjon og dynamiske prosesser som skjer i nervesystemet. Med utviklingen av nye metoder for å registrere nevral aktivitet, vokser mengden data om hjernefunksjon hver dag. Volumet av boken "Principles of Neural Science" av nobelprisvinneren Eric Kandel, som gir grunnleggende informasjon om hjernens arbeid, øker med hver ny utgave: boken begynte med 470 sider, og nå er størrelsen mer enn 1700 sider. For å systematisere et så stort sett med fakta, trengs teorier.

Om epilepsi

For å forstå hva som skjer med hjernen under et angrep, forestill deg at du kom på en konsert og på et tidspunkt eksploderte salen av applaus. Du klapper i din egen rytme, og menneskene rundt deg klapper i en annen rytme. Hvis nok folk begynner å klappe på samme måte, vil du finne det vanskelig å holde rytmen din og vil sannsynligvis ende opp med å klappe sammen med alle andre. Epilepsi fungerer på lignende måte når nevroner i hjernen begynner å bli høysynkroniserte, det vil si generere impulser samtidig. Denne synkroniseringsprosessen kan involvere hele områder av hjernen, inkludert de som kontrollerer bevegelse, og forårsake et anfall. Selv om de fleste anfall er preget av fravær av anfall, fordi epilepsi ikke alltid forekommer i de motoriske områdene.

La oss si at to nevroner er forbundet med eksitatoriske forbindelser i begge retninger. En nevron sender en impuls til en annen, som eksiterer den, og den sender impulsen tilbake. Hvis de eksitatoriske forbindelsene er for sterke, vil dette føre til økt aktivitet på grunn av utveksling av impulser. Normalt skjer ikke dette, siden det er hemmende nevroner som reduserer aktiviteten til altfor aktive celler. Men hvis hemmingen slutter å fungere som den skal, kan det føre til epilepsi. Dette skyldes ofte overdreven akkumulering av klor i nevroner. I arbeidet mitt utviklet jeg en matematisk modell av et nettverk av nevroner som kan gå inn i epilepsimodus på grunn av patologien til inhibering assosiert med akkumulering av klor inne i nevroner. I dette ble jeg hjulpet av registreringer av aktiviteten til nevroner i menneskelig vev oppnådd etter operasjoner på epileptiske pasienter. Den konstruerte modellen lar oss teste hypoteser angående mekanismene for epilepsi for å avklare detaljene i denne patologien. Det viste seg at gjenoppretting av klorbalansen i pyramidale nevroner kan bidra til å stoppe et epileptisk angrep ved å gjenopprette balansen mellom eksitasjon - hemming i nettverket av nevroner. Min andre veileder, Anton Chizhov ved det fysisk-tekniske instituttet i St. Petersburg, mottok nylig et stipend fra Russian Science Foundation for studiet av epilepsi, så denne forskningslinjen vil fortsette i Russland.

I dag er det mye interessant arbeid innen beregningsnevrovitenskap. For eksempel er det i Sveits et Blue Brain Project, hvis mål er å beskrive så detaljert som mulig en liten del av hjernen - den somatosensoriske cortex av rotten, som er ansvarlig for å utføre bevegelser. Selv i den lille hjernen til en rotte er det milliarder av nevroner, og de er alle koblet til hverandre på en bestemt måte. For eksempel, i cortex, danner en pyramideformet nevron forbindelser med omtrent 10 000 andre nevroner. Blue Brain Project registrerte aktiviteten til rundt 14 000 nerveceller, karakteriserte formen deres og rekonstruerte rundt 8 000 000 forbindelser mellom dem. Deretter koblet de ved hjelp av spesielle algoritmer nevronene sammen på en biologisk plausibel måte slik at aktivitet kunne dukke opp i et slikt nettverk. Modellen bekreftet de teoretisk funnet prinsippene for kortikal organisering – for eksempel balansen mellom eksitasjon og inhibering. Og nå i Europa er det et stort prosjekt som heter Human Brain Project. Den skal beskrive hele den menneskelige hjernen, tatt i betraktning alle data som er tilgjengelig i dag. Dette internasjonale prosjektet er en slags Large Hadron Collider fra nevrovitenskap, siden rundt hundre laboratorier fra mer enn 20 land deltar i det.

Om betydningen av nevrovitenskap for samfunnet

Hvorfor er nevrovitenskap så viktig for det moderne samfunnet? For det første er det en mulighet til å utvikle nye behandlinger for nevrologiske sykdommer. Hvordan kan du finne en kur hvis du ikke forstår hvordan den fungerer på nivå med hele hjernen? Min veileder i Paris, Boris Gutkin, som også jobber ved Higher School of Economics i Moskva, studerer kokain- og alkoholavhengighet. Arbeidet hans er viet til å beskrive de endringene i forsterkningssystemet som fører til avhengighet. For det andre er dette nye teknologier - spesielt nevroproteser. For eksempel vil en person som ble stående uten arm, takket være et implantat implantert i hjernen, kunne kontrollere kunstige lemmer. Alexey Osadchiy ved HMS er aktivt involvert i dette området i Russland. For det tredje, på lang sikt er dette en inngang til IT, nemlig maskinlæringsteknologi. For det fjerde er dette utdanningsområdet. Hvorfor tror vi for eksempel at 45 minutter er den mest effektive timelengden på skolen? Dette problemet kan være verdt å utforske bedre ved å bruke innsikt fra kognitiv nevrovitenskap. På denne måten kan vi bedre forstå hvordan vi kan undervise mer effektivt på skoler og universiteter og hvordan vi kan planlegge arbeidsdagene våre mer effektivt.