Что такое нейронаука

Нейронаука или, если быть более точным, нейробиология – это междисциплинарная область знаний, лежащая на стыке наук, изучающих нервные процессы в различных аспектах и проявлениях.

На всякий случай помним, что нейроны — это электрически возбудимые клетки, посредством которых информация передается и обрабатывается, а также информация сохраняется. В сегодняшней статье мы также должны вспомнить, что такое аксоны – отростки нервных клеток, идущие к разным органам и другим клеткам.

На сегодняшний день существует около двух десятков наук, которые так или иначе изучают нервные процессы. Чтобы еще больше было легче понять, о чем идет речь, перечислим и кратко опишем, что входит в этот «внутренний круг» нейробиологии.

Важнейшие направления развития нейробиологии:

Нейробиология – изучает биологические основы функционирования нервной системы.
Когнитивная нейробиология — это раздел нейронауки, изучающий взаимосвязь между функциями мозга, поведением и когнитивными процессами.
Вычислительная нейробиология – изучает математические законы биологических аспектов функционирования нервной системы и поведения человека.
Нейрофизиология – изучает физиологические основы функционирования нервной системы.
Нейроморфология – изучает форму и строение нервной системы.
Нейропсихология – изучает мозговую организацию высших психических функций и их связь с поведением.
Нейроинженерия – изучает возможности ремонта или замены элементов нервной системы.
Нейролингвистика – изучает нейронные основы языковых процессов.
Нейроэтология – изучает переход реакций на биологические раздражители в естественное поведение.
Нейроэвристика – изучает процессы в структурах мозга с точки зрения взаимного влияния генетических факторов и социальной среды.
Социальная нейробиология – изучает нейронные процессы, определяющие социальное поведение.

Опять же, это лишь основные направления развития нейробиологии. Есть также гораздо менее известные и более экзотические области, такие как нейротеология, изучающая влияние религиозного опыта на мозговую и нервную деятельность. Или, скажем, культурная нейробиология, которая занимается выявлением различий в нервно-психических процессах у представителей разных культур.

Кроме того, нейробиология и медицина очень тесно связаны. Таким образом, нейрохирургия занимается хирургическим лечением заболеваний и травм головного и спинного мозга. Психиатрия и нейронаука немыслимы друг без друга, поскольку для того, чтобы понять природу отклонений в поведении человека и назначить правильное лечение, прежде всего необходимо понять закономерности нервно-психических процессов.

Заметим, что все это разнообразие нейронаук возникло за относительно короткое по историческим меркам время. Наблюдается определенная «скачкообразность» процесса, поскольку накопленные веками и тысячелетиями знания дали импульс качественным изменениям в процессе понимания работы мозга и нервной системы. В общем, мы приглашаем вас на небольшой исторический экскурс по важнейшим вехам развития нейробиологии.

История нейронауки

Мы уже начали говорить о том, что психические, нервно-психические и поведенческие реакции человека с древнейших времен привлекали внимание ученых. Задолго до нашей эры были попытки описать, как работает нервная система. Гиппократ, Аристотель, Платон, Эмпедокл, Авиценна, Андреас Везалий и другие мыслители прошлых тысячелетий внесли свой вклад в понимание структуры мыслительных процессов.

Поэтому историки науки часто стараются начать отсчет истории нейробиологии с древности и включить туда все исследования нервной системы, мозга, анатомии и физиологии нервных процессов. В этом контексте история нейробиологии больше похожа на подраздел истории медицины. Во многом это правда, поскольку понимание нюансов работы мозга важно для понимания поведенческих реакций.

Поворотным моментом в развитии нейробиологии как таковой можно считать середину XX века, когда американский невролог Вернон Маунткасл (1918-2015) совершил настоящий прорыв, открыв модульную организацию коры головного мозга, закономерности в строении коркового модуля, а также то, что группы нейронов внутри него «реагируют» на определенные процессы и имеют свою «специализацию».

Все дальнейшие исследования мозга так или иначе базируются на закономерностях, выявленных Верноном Маунткаслом. Наиболее подробно это открытие описано в книге «Интеллектуальный мозг», изданной Маунткаслом в сотрудничестве с американским иммунологом и нейрофизиологом, нобелевским лауреатом Джеральдом Морисом Эдельманом [Дж. Эдельман, В. Маунткасл, 1981].

Термин «нейронаука» впервые был использован в 1962 году в «программе нейробиологических исследований» Массачусетского технологического института, которой руководил профессор этого учреждения Фрэнсис О. Шмитт. Затем, в 60-х годах 20 века, нейробиология была официально признана академической дисциплиной.

Научно-техническая революция второй половины XX века, затронувшая все без исключения сферы, позволила разделить сложные процессы, происходящие в нейронах, на составляющие. Таким образом, область наблюдаемых процессов значительно расширилась, что, без преувеличения, позволило «заглянуть» в недра мозга и глубины подсознания так глубоко, как никогда раньше.

При всем многообразии исследовательских направлений и компонентов нейронауки стало формироваться общее понимание того, чем должна заниматься нейронаука, какова должна быть главная цель исследований. Впервые цели и задачи нейронауки вообще и нейробиологии в частности были сформулированы наиболее четко в учебнике «Принципы нейронауки» («Principles of Neuroscience»), изданном в 1981 г и впоследствии неоднократно дополнявшемся [Э. Кандел, Дж. Шварц, т.д.жессел, 2000].

Американский психиатр, нейробиолог и биохимик, лауреат Нобелевской премии 2000 года Эрик Ричард Кандел работал над публикацией в сотрудничестве с коллегами-нейробиологами Джеффри Шварцем и Томасом Джесселем. Изучение поведения в контексте мозговой деятельности и процессов, происходящих в структурах мозга, было объявлено главной задачей нейробиологии. Как именно мозг управляет миллионами нервных клеток, как он формирует то или иное поведение, как окружающая среда влияет на эти клетки?

Авторы пытаются найти ответы на эти вопросы и подчеркивают, что настоящей задачей науки является понимание биологической основы сознания и когнитивных процессов, посредством которых люди чувствуют, учатся, действуют, запоминают [Э. Кандел, Дж. Шварц, т.д.жессел, 2000]. В целом историю развития нейробиологии можно рассматривать как попытку решения трех основных проблем:

Насколько независимы друг от друга мозг и психика или их следует рассматривать исключительно как единое целое?
Насколько независимы группы нейронов в контексте своей «специализации» и могут ли они функционировать как единое целое, все вместе?
Является ли сознание исключительно продуктом деятельности мозга и можно ли объяснить работу сознания только работой нейронов?

Чтобы детально изучить историю нейробиологии, необходимо отдельно рассмотреть историю каждой из двух десятков наук, составляющих пул нейробиологии. Однако практически для всех этих направлений важной вехой стало открытие в 1990 году в Санкт-Петербурге Института мозга человека. Институт мозга входит в состав Российской академии наук и объединяет 8 лабораторий.

Кроме того, в различных учебных заведениях открываются кафедры нейробиологии. Так в 2014 году была открыта кафедра нейронаук и когнитивных исследований МГУ имени М.А. Шолохова. В 2018 году в Высшей школе экономики открылся Институт когнитивных нейронаук. В 2021 году – НИИ нейронаук Самарского государственного медицинского университета (Самара).

Отрадно, что проблемы науки в России интересуют не только научное сообщество, но и деловой мир, который готов инвестировать в перспективные разработки. В 2019 году была представлена Лаборатория нейробиологии Сбербанка [Сбербанк, 2019]. Сегодня научный руководитель Лаборатории нейронаук Андрей Курпатов активно популяризирует нейробиологию и в своей онлайн-лекции рассказал, как меняется мозг и психика человека под воздействием окружающего информационного поля [А. Зиновьев, 2021].

Вот как вкратце выглядят важнейшие вехи развития нейробиологии. Всем, кто хочет изучить эту тему более подробно, можно порекомендовать специальное издание «Мозг. Книга «Иллюстрированная история нейронауки», написанная популярным наукой Томом Джексоном, объясняет сложные вещи простым языком, понятным большинству старшеклассников [Т. Джексон, 2017].

Отдельная тема – нейрообразование и подготовка специалистов в этой области. Ситуация в этой области подробно описана в статье «Этапы становления и тенденции развития нейрообразования в мире» [С. Дудко, 2020]. Эта тема актуальна еще и потому, что нейробиология имеет не только направления, но и уровни развития. И конечно, каждому уровню нужна своя специализация, определенные специальные навыки и направления научных исследований.

Итак, на каких уровнях развивается нейробиология?

Уровни развития нейронауки

Нейронаука продвигается от молекулярного и клеточного уровня к системному и когнитивному уровню. Рассмотрим, как нейронаука проходит через все эти уровни.

Молекулярный уровень

На молекулярном уровне нейробиология изучает механизмы передачи сигналов от нейронов и аксонов, развитие нейронов, а также то, как генетика и приобретенный опыт влияют на функции нейронов и как все это влияет на поведение человека.

Клеточный уровень

На клеточном уровне нейробиология изучает физиологические и электрохимические аспекты обработки и передачи информации нейронами и аксонами.

Системный уровень

На системном уровне нейробиология изучает анатомо-физиологические основы рефлексов, сенсорной интеграции, координации движений, эмоциональных реакций и когнитивных способностей.

Когнитивный уровень

На когнитивном уровне нейробиология изучает взаимосвязь между нервной системой и когнитивными функциями. Современное измерительное оборудование приблизило нас к тому, что человеческое познание и эмоции можно условно разместить «на карте нервной системы».

Почему необходимо такое разделение нейробиологии на уровни развития? Имеет ли нейробиология преимущественно фундаментальное значение или прикладные аспекты тоже имеют перспективы дальнейшего развития? Давайте поговорим и об этом.

Значение нейронауки

Прежде всего, достижения нейробиологии важны для медицины. Нейронауки и исследования, проводимые учеными, раскрывают причины и закономерности отклонений в поведении, что важно при оказании помощи людям, страдающим психическими заболеваниями. А также открывает новые возможности в лечении многих других заболеваний и проблем со здоровьем. Перечислим наиболее важные проблемы здравоохранения, которые сейчас решаются с помощью нейробиологических достижений:

Синдром дефицита внимания и гиперактивности.
Синдром Дауна.
Церебральный парез.
Эпилепсия.
Аутизм.
Рассеянный склероз.
Болезнь Паркинсона.
Шизофрения.
Опухоли, заболевания и повреждения головного мозга.
Алкогольная и наркотическая зависимость.
Депрессия.

Помните, что нейрохирургия занимается хирургическим лечением заболеваний и травм головного и спинного мозга. В более широком смысле очень интересен доклад «Технологии восстановления и расширения ресурсов мозга человека» [И. Державина и др., 2020]. Кроме того, прикладные исследования в области нейробиологии позволяют лечить нарушения сна, ишиас и предотвращать инсульт.

Современные измерительные системы позволяют понять, как определенные медитативные практики влияют на разные участки мозга, и использовать полученные данные для борьбы со стрессом, депрессией и нарушениями сна.

Способность представлять мыслительные процессы в количественных терминах и конкретных схемах лежит в основе разработок в области искусственного интеллекта. Лишь тщательно изучив физическую основу мыслительных процессов, наука смогла инициировать развитие этого типа.

На основе прикладных исследований, проводимых на когнитивном уровне, разрабатываются различные методы улучшения памяти, нейропластичности мозга, способности концентрироваться и усваивать новую информацию. Эти исследования, так или иначе, составляют основу многих мотивационных упражнений, всегда обращающихся к человеческому разуму.

Достижения нейробиологии имеют большое значение для развития системы образования. Соответствующие исследования проводятся под эгидой ЮНЕСКО. Это очень интересная и перспективная тема, которая подробно освещена в обзоре «Нейробиология и искусственный интеллект (ИИ): как выглядит будущее обучения?» [ЮНЕСКО, 2019].

В нашей стране тоже есть люди, которые «двигают» исследования в этой области вперед. Всем интересующимся темой рекомендуем прочитать интервью ученого и бизнесмена Евгения Ижикевича о нейробиологии, искусственном интеллекте и моделировании мозга «Кто-то хочет быть Эйнштейном. Почему не я?» [Э. Ижикевич, 2021].

Особая тема – достижения нейробиологии применительно к педагогике молодежи. Книга Растущий мозг. Как нейробиология и навыки мышления помогают преодолеть проблемы молодости» можно рекомендовать всем родителям, чьи дети уже подошли или приближаются к сложному переходному возрасту [Д. Сигел, 2017]. Для тех, кто не знает, уточним, что мысленное зрение обычно определяют как своеобразную «линзу», с помощью которой мы яснее видим собственное сознание.

Это основные области, в которых прогресс и развитие нейробиологии имеют наибольшее значение. Учитывая, что в пул нейробиологии входит около двух десятков наук и научных направлений, полный обзор займет много времени и все равно может остаться неполным, ведь нейробиология постоянно развивается, чуть ли не каждый день делая новый шаг вперед.

Однако, чтобы иметь возможность следить за последними разработками в такой сложной области, как нейробиология, и понимать, о чем идет речь, вам необходимо иметь некоторую базовую подготовку. Речь не идет о получении еще одного высшего образования. Вполне достаточно, если вы изучите литературу по интересующему вас направлению развития нейробиологии.

Нейронаука: книги и основные исследования

Итак, что же следует обязательно прочитать тем, кто интересуется нейробиологией? Литературы сегодня очень много, поэтому перечислим лишь наиболее значимые исследования.

Так, книга «Мозг: Тонкая настройка. Наша жизнь с точки зрения нейробиологии» в популярной форме рассказывает о том, что лежит в основе всех наших действий, чувств, привычек, воспоминаний, решений [Уайброу П., 2016].

Книга Евгения Ижикевича «Динамические системы в нейробиологии. Геометрия возбудимости и импульсной активности» [Е. Ижикевич, 2018]. Работа посвящена основам математического моделирования активности нейронов и позволяет понять связь электрофизиологии нейронов с их динамическими и вычислительными свойствами. Каждое изучаемое явление описано с точки зрения математики и биологии. Уточним, что пакетная активность является одним из видов функции нейронов. А более детально вы поймете проблему, когда прочитаете книгу.

Не менее информативна двухтомная книга «Мозг, познание, разум». Введение в когнитивную нейробиологию» [Б. Баарс, Н. Гейдж, 2021]. Вот результаты новейших исследований взаимосвязи структурных функций мозга и когнитивных способностей. Проще говоря, когнитивные механизмы сегодня с помощью специального оборудования можно наблюдать на уровне работы над структурами мозга.

Три тома нейробиологии. Исследование мозга. Том 1 посвящен основам работы мозга и может быть полезен будущим врачам, нейробиологам и нейрофизиологам [М. Беар, Б. Коннорс, М. Парадизо, 2021].

Том 2 посвящен сенсорным и двигательным системам, выявлению и лечению заболеваний, поражающих головной мозг, и может быть рекомендован студентам медицинских вузов и начинающим специалистам [М. Беар, Б. Коннорс, М. Парадизо, 2021].

И, наконец, третий том трехтомника «Нейронаука». Исследование мозга. Мозг и поведение. Меняющийся мозг» может быть интересен всем, кто хочет узнать больше о нейробиологии [М. Беар, Б. Коннорс, М. Парадизо, 2021]. Помимо собственно научных исследований, в книге собраны рассказы современных нейробиологов об их работа.

Есть что почитать и по гуманитарным наукам. Так, книга «Основные проблемы нейролингвистики» посвящена системам речевой коммуникации, процессам кодирования, т.е формирования, и декодированию, т.е декодированию сообщений [А. Лурия, 2007]. Кстати, Александр Лурия — автор принципа работы детектора лжи и многих других концепций.

Много интересных размышлений можно найти в книге «Я не мозг». Философия духа для XXI века» [Габриэль М., 2020]. Правда, она будет интересна в основном тем читателям, которые хорошо знакомы с «Философией духа» Гегеля [Гегель Г., 2018]. Многие книги по нейробиологии доступны для скачивания бесплатно, некоторые предлагаются к покупке по разумной цене.

А еще мы осмеливаемся включить в нашу «книжную» подборку специальный выпуск журнала «Социология власти» № 2 за 2020 год [РАНХиГС, 2020]. Он полностью посвящен гуманитарным и социокультурным аспектам развития нейробиологии.

В дополнение к перечисленным выше книгам и журналам мы рекомендуем вам изучить нашу программу когнитивных наук, чтобы получить больше знаний в области нейробиологии.