Нейронаука в наші дні

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Нейронаука в наші дні

Введення
Відкриті питання, що стосуються нервової системи і мозку, дуже відрізняються від питань, що відносяться до таких предметів, як фізика, хімія і навіть біологія в цілому. І вказати на важливі прогалини у нашому знанні і розумінні роботи мозку може і дилетант, не має відношення до науки, усвідомлює, що ми не розуміємо механізми здійснення вищих функцій мозку, таких як свідомість, навчання, сон, координування рухів, або, навіть, яким чином ми свідомо згинаємо палець. Але цій людині набагато важче вказати, чого ми ще не знаємо про теорію відносності, фізики елементарних частинок, хімічних реакціях або генетиці. Саме достаток досить очевидних і явно важливих питань робить нейронауку такою привабливою в наші дні.
Щоб навести приклад з повсякденного життя про обмеженість наших знань про те, як функціонує мозок, розглянемо такий вид спорту, як теніс. Досвідчений гравець, наприклад Мартіна Хінгіс, бачить, як її противник завдає удару по м'ячу. Вона здатна швидко обчислити, куди він приземлиться і як високо відскочить. М'яч буде рухатися зі швидкістю 100 км / год , Але вона може кинутися до потрібного місця, витягнути руку так, щоб м'яч потрапив точно в центр ракетки, і з необхідною силою послати його прямо до задньої лінії корту противника (використовуючи відому слабкість опонента в ударах ліворуч). З тим же успіхом можна навести приклади того, як пелікан пірнає за рибою, як жаба ловить муху кінчиком мови, або як бджола бере нектар з певного квітки. У кожному з цих прикладів необхідно виділити предмети з їхніх строкатого оточення, розробити, почати, відрегулювати і довести до завершення ряд високо координованих рухів. І, якимось чином, для всього цього повинні існувати необхідні нейронні зв'язки.

Результат збагаченого сенсорного досвіду, набутого в ранній період життя
Так як гнучкість зв'язків та особливості будови мозку в ранні періоди розвитку роблять мозок чутливим до сенсорної депривації, природним буде питання: чи може відбутися посилення роботи кори, якщо в ранні періоди тварина набуває більше різноманітного досвіду. Проте це досить важко перевірити на практиці: по-перше, новонароджені тварини повинні перебувати більшу частину часу зі своїми матерями, по-друге, важко дізнатися напевно, що буде різноманітним і приємним стимулом для, скажімо, народженого в природних умовах пташеня, щурика, мишеня чи дитинча мавпи.
Цікавий і несподіваний результат був виявлений Брайнардом і Кнудсеном в дослідах зі зміщенням поля зору амбарний сови, про що ми писали вище. У другій серії експериментів вони повторили проведені раніше процедури з однією істотною відмінністю, що полягає в тому, в яких умовах утримували совенят. Совенят проводили перші тижні життя у вольєрі, де вони жили разом з іншими совами і могли літати. У цих совенят з багатшим досвідом, так само, як і до цього, виявлявся ефект переміщення зорового поля, згідно з новим розташуванню зорового поля. Після того, як призми видаляли, у молодих тварин, яким не виповнилося 200 днів, як і колись, слухова просторова карта поверталася до свого вихідного розташуванню в корі, щоб знову відповідати зорової карті. У чому ж була новизна і відмінність від попередніх дослідів? У тому, що й через багато часу після 200 днів, коли сова вже стає дорослою і зрілою, у таких сов відбувалося переміщення слухового поля при видаленні призм, як ніби критичний період для них ще не закінчився. Подібним же чином ранній критичний період, протягом якого відбувалося переміщення слуховий карти в області четверохолмия при приміщенні на очі сови призм, продовжувався з 70 до 200 днів. Таким чином, багатий досвід продовжували період адаптаційної здатності в слуховий системі. В інших дослідах було показано, що сови, які навчилися одного разу адаптуватися до призмам в ранньому віці, можуть встановлювати нові зв'язки і в дорослому стані, на відміну від тварин, які не мали такого досвіду.
Збагачення сенсорного досвіду в ранні періоди життя також може призводити до морфологічних змін у нейронах. У зоровій корі щурів і мишей, які отримували часті, щоденні, чутливі, але не викликають негативну реакцію сенсорні стимули в ранні періоди життя, була виявлена ​​більш виражена гіллястість дендритів, ніж у контрольних тварин.
Критичні періоди для розвитку вищих функцій
Є велика кількість літературних даних про те, що й інші поведінкові процеси у різних тварин можуть мати критичні періоди (period of susceptibility). Прикладом цього може бути імпринтинг. Лоренц показав, що каченята йдуть за будь-яким об'єктом, що рухається, за умови, якщо він демонструвався ним протягом першого дня після вилуплення і служить «матір'ю» протягом всього їхнього подальшого життя. Подібно до цього, мелодії, що відтворюються птахами, такими як смугастий зяблик (zebra finch), залежать від пісень, які пташенята чули в ранні періоди життя, під час критичного періоду. Птахи певних видів можуть запам'ятовувати і відтворювати певні (але не всі) мелодії, які вони чули у ранньому віці. У більш високоорганізованих тварин - наприклад собак - вивчення поведінки показує, що якщо вони живуть разом з людьми протягом критичного періоду з 4 до 8 тижнів після народження, то вони набагато легше піддаються дресируванню та більш слухняні, ніж тварини, які виросли поза контакту з людиною. Критичним періодом розвитку тварин, по видимому, є час, протягом якого відбувається значне загострення почуттів і здібностей.
У чому ж біологічне значення критичних періодів?
Чому пластичність у ранньому віці настільки виражена? Мозок, що розвивається повинен не тільки утворювати свої структури, але також і вміти представляти навколишній світ, тіло та його руху. Око, наприклад, повинен зрости до певного розміру для того, щоб вилучені об'єкти знаходилися строго у фокусі сітківки, проектуючи через розслаблений кришталик. Два очі, що знаходяться на відстані один від одного, мають злагоджено переміщатися у новонароджених. Крім того, виникають великі зміни в розмірах кінцівок, діаметрі голови і, отже, в нашому відчутті тіла в перші місяці і роки життя.
У всіх цих випадках подання різних функцій в мозку повинно бути погоджено, як це відбувається в дослідах Кнудсена з совою. Однак є свідчення того, що пластичність можлива і в дорослому стані. На функціональному рівні, навіть у дорослому стані, ми можемо швидко і оборотно адаптуватися до призмам, що знаходяться поверх наших очей, які викликають змішання зорових полів. Також можуть заповнюватися «сліпі плями», що є результатом пошкодження ока. У дорослих мавп після пошкодження і деафферентаціі виникають зміни в уявленні тіла в соматосенсорной корі.
Дуже заманливо поміркувати про можливий вплив депривації на вищі функції людини. Як сказав Хьюбела:
Клітинні та молекулярні дослідження нейрональних функцій
Спочатку варто відзначити, що за останні кілька років нова інформація про канали, рецепторах, трансмітери, транспортерах, вторинних посередників і довготривалих зміни в синапсах стала надходити з такою швидкістю, що відкриті запитання, поставлені сьогодні, можливо, вже знайдуть свої рішення на час виходу цієї книги.
Отже, все ще залишаються непоясненим тонкі структурні зміни білків, що опосередковують процеси відкриття, закриття та інактивації іонних каналів. Неясно, яке функціональне призначення такої великої кількості підтипів іонних каналів, рецепторів і транспортерів. Інша велика проблема - це механізм доставки цих молекул до строго певних ділянок нейрона, наприклад, натрієвих каналів до перехопленнях Ранвье, рецепторів збуджуючих амінокислот до шипиками дендритів, а синаптичних везикул - до активних зон пресинаптичних терминалей. Формування постсинаптичних спеціалізацій нервово-м'язового синапсу дає приклад ідентифікації ряду ключових молекул в подібних процесах, проте детальні механізми і в цьому випадку залишаються багато в чому не встановленими.
Щоб пояснити механізми, що лежать в основі таких проблем, як довготривала потенціація і довготривала депресія, було проведено величезну кількість детальних експериментів. До числа фундаментальних питань, пов'язаних з цим феноменом, відноситься роль ретроградних сигналів від постсинаптичного нейрона до пресинаптическим терміналом. Інше важливе питання - чи є довготривала потенціація і депресія дійсно необхідними для формування пам'яті і добування інформації з місць зберігання.
Функціональне значення міжклітинного переміщення речовин
Численними експериментами було продемонстровано транссінаптіческого переміщення амінокислот або білків між нейронами, наприклад, від сітківки через латеральне коленчатое ядро ​​до зорових центрів кори головного мозку. Те, що це переміщення відбувається, точно встановлено. Тим не менш, ми не володіємо важливою інформацією про механізми цього перенесення і його функціональному значенні. Міжклітинний переміщення малих молекул відбувається між клітинами, пов'язаними щілинними контактами. Передбачається, що міжклітинний переміщення речовин являє собою механізм контролю росту і розвитку клітин. Пов'язаний з цим питання стосується ролі гліальних клітин для функціонування нейронів. Особливо неясною є кількісна характеристика обміну молекул між гліальними клітинами і нейронами, значення такого обміну для функціонування нейронних мереж.
Розвиток і регенерація
Незважаючи на значний прогрес, все ще невідомо, як нейрони вибирають свої специфічні мішені. Вже в даний час розробляються підходи до розгляду таких питань, як спрямований зростання відростків нейронів до мішенях, припинення росту і розвиток зв'язків за допомогою виборчого видалення відростків або смерті клітин. У той же час ми знаходимося тільки в самого порога знання про те, як з такою неймовірною точністю здійснюються нервові зв'язки. Як, наприклад, встановлюються зв'язки терминалей аферентних волокон м'язових веретен на мотонейронах спинного мозку? Як серед декількох тисяч нейронів, що припадають на кожний кубічний міліметр нервової тканини, вибирається і иннервируется потрібну ділянку відповідного мотонейрона? Яким чином одна і та ж сенсорна клітина на різних синапсах мозкової речовини утворює синапси з різними характеристиками виділення трансмітера?
Що ж стосується регенерації в ЦНС ссавців після пошкодження, причини неспроможності регенерації також невідомі, незважаючи на значний успіх у розумінні молекулярних механізмів, що сприяють або уповільнюють зростання відростків нейронів.
Інше важливе питання стосується ролі практики для розвитку організму на ранніх стадіях життя. Зокрема, ми майже нічого не знаємо про роль критичних періодів у дозріванні вищих функцій, включаючи емоційні характеристики і особистість.
Можливо, найдивнішою можливістю в майбутньому стане перенесення результатів подібного роду досліджень на інші системи організму, крім сенсорної. Психологи - зксперіментотори і психіатри підкреслюють важливість раннього досвіду для формування певної поведінки - можливо, що позбавлення соціальних контактів або наявність інших аномальних емоційних ситуацій в ранньому віці може призводити до порушеннями або спотворень у зв'язках в якихось ще невідомих нам областях мозку?
Виявити подібні фізіологічні механізми для пояснення поведінкових феноменів є ще далекою, але не неможливим завданням.
Генетичні підходи оцінки функцій нервової системи
Важко навіть передбачити, якими будуть наслідки революції в методах генетики для розуміння роботи мозку. Вже використовуються в даний час трансгенні тварини, у яких були змінені або видалені певні гени, є потужним інструментом пізнання функцій мозку. Однак у зв'язку з надмірністю функцій і непередбаченими побічними ефектами залишається ще багато труднощів у інтерпретації результатів, отриманих у цих тварин. Завершення проекту «Геном людини» дозволяє ідентифікувати гени і молекули, які змінюються в ході хвороб. Проаналізувати таку величезну масу інформації і відокремити важливе від другорядного є воістину неосяжної завданням. Масштаб проблеми ілюструє спадкове захворювання - хвороба Хантінгтона, при якій змінений ген можна розпізнати, аналізуючи генетичний матеріал родичів 1). Однак, незважаючи на те, що змінені послідовності генів при хворобі Хантінгтона вже давно встановлені, залишається невідомою функція пов'язаних з ним білків. Аналогічно, мутації деяких генів, що кодують потенціал-актівіруемие кальцієві канали, призводять до спадкових геміплегічна мігрень і мозжечковой атаксії 2). Але і в цьому випадку не існує ясної зв'язку, який механізм пов'язує ці явища. Розробка терапії на рівні впливу на генетичний апарат залишається найбільш багатообіцяючою перспективою для подібних станів. Можливо, шлях до розробки такого лікування стане простіше після розвитку способів доставки реагентів до місця дії, а також після розробки методів тимчасового і просторового контролю процесів експресії білків.
Сенсорна і моторна інтеграція
У питаннях, які стосуються неймовірного числа нейронів і їх відростків з неясними функціями (зокрема неміелінізірованних волокон, які чисельно значно перевершують міелінізірованние волокна), наші знання мають серйозний пропуск. Більш конкретним прикладом є велика різноманітність амакрінових клітин (більше 20), що сприяють обробці інформації в сітківці. Інший приклад - роль афферентов 11-ї групи від м'язових веретен у функціонуванні спинного мозку.
Механізми ініціації і контролю координованих рухів все ще залишаються відкритими, хоча в їх вирішенні помітний прогрес. Сьогодні є надія, що завдяки неінвазивним методам отримання зображень мозку в поєднанні зі стимуляцією можна вирішити ряд питань, детально реєструючи мозкову активність. Наприклад, ще більше 50 років тому Едріан виявив, що, навчившись писати своє ім'я, можна зробити це не тільки пальцями рук, але і тримаючи олівець пальцями ніг. Проте до цих пір невідомо, як пояснюється наша здатність до перенесення таких рухових програм від однієї виконавчої системи до іншої.
Подібним чином, при розгляді сенсорних систем, нейрональні механізми процесів інтеграції в єдине ціле одного образу, наприклад, собаки (не кажучи вже про більш складні картинах навколишнього світу), залишаються наразі поза нашого розуміння. При обговоренні питань такого типу представляється всемогутній гомункулус - клітина, або маленький чоловічок у нашому мозку, який фактично бачить те, що бачимо ми. Хоча всі висміюють цю ідею, гомункулус все-таки має корисне призначення: він постійно нагадує нам про недостатність наших знань про вищі функціях мозкової кори. Як тільки відповіді будуть знайдені, він помре природною смертю, як флогістон. Однак поки що ми не можемо замінити його комп'ютером.
Додатково до цих явним прогалин у наших знаннях залишаються «чорними ящиками» механізми точного контролю температури тіла, кров'яного тиску, функцій кишечника. Взаємодія мозку з імунною системою представляє ще одну велику область активних досліджень, все ще знаходяться на ранній стадії з великою кількістю відкритих питань.
Математичне моделювання та обчислювальні нейронауки цілком залежать від даних, одержуваних в експериментах з реєстрації активності іонних каналів, конкретних нейронів, синапсів і нейронних мереж. Проте до цих пір ні в жодній іншій області не був досягнутий успіх, який можна порівняти зі значенням рівняння Ходжкіна-Хакслі для опису змін іонної проникності під час генерації потенціалу дії. Однією з головних причин цього є нестача експериментальних даних, необхідних для відтворення таких складних процесів, як синаптична пластичність і нейрональная інтеграція. Наприклад, як можна було сподіватися побудувати модель пластичності нейронних мереж кори до відкриття рецепторів NMDA або магнієвого блоку провідності каналів, і скільки подібних механізмів ще чекають свого відкриття?

Висновки
Протягом 3 перших місяців життя тварина проходить критичний період, під час якого закриття вік одного очі викликає значні зміни в структурі і функції кори.
Закриття вік одного очі в критичний період веде до повної сліпоти на це око.
При депривації очей втрачає управління над кортикальним клітинами, що призводить до зменшення розмірів колонок очного домінування цього ока.
Після критичного періоду закриття повік або видалення ока не викликають будь - яких змін в корі.
Бінокулярне закриття повік і штучне косоокість під час критичного періоду не призводять до змін у глазодоминантности колонках, проте ведуть до втрати бінокулярного зору.
Можна припустити, на основі наведених даних, що між очима існує конкуренція за управління клітинами в зоровій корі.
У новонароджених совенят обробка слухових сигналів може бути змінена за допомогою зміни сприйняття ними навколишнього простору в критичний період.
Збагачений сенсорний досвід у ранньому періоді розвитку збільшує тривалість критичного періоду.

Література
1 Malach, R., Ebert, R., and Van Sluyters, RC 1984. / Neurophysiol. 51: 538-551.
2 Cynader, M., and Mitchell, DE 1980. /. Neurophysiol. 43: 1026-1040.
3 Daw, NW, et al. 1995. Ciba Found. Symp. 193: 258-276.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Біологія | Наукова робота
34.4кб. | скачати


Схожі роботи:
А в наші дні і повітря пахне смертю
Етика любові в стародавній Греції і в наші дні
Пастернак б. л. - А в наші дні і повітря пахне смертю. ..
Взаємовідносини російської та зарубіжної православної церков в наші дні
Гоголь н. в. - Поема мертві душі і її актуальність у наші дні
Аналіз регулювання і фінансування бюджетного дефіциту з 1985 і по наші дні
Нейронаука в неврології
Наші перші ОС
Книги - наші друзі
© Усі права захищені
написати до нас