Neurofizjolog, gdzie studiować. Departament Wyższej Aktywności Nerwowej

Neurofizjolog, gdzie studiować. Departament Wyższej Aktywności Nerwowej

06.03.2024

Neurobiologia zajmuje się badaniem układu nerwowego ludzi i zwierząt, uwzględniając zagadnienia budowy, funkcjonowania, rozwoju, fizjologii, patologii układu nerwowego i mózgu. Neurobiologia to bardzo szeroka dziedzina nauki, obejmująca wiele dziedzin, np. neurofizjologię, neurochemię, neurogenetykę. Neurobiologia jest ściśle powiązana z naukami kognitywnymi, psychologią i ma coraz większy wpływ na badanie zjawisk społeczno-psychologicznych.

Badanie układu nerwowego w ogóle, a mózgu w szczególności, może odbywać się na poziomie molekularnym lub komórkowym, gdy bada się strukturę i funkcjonowanie poszczególnych neuronów, na poziomie poszczególnych skupisk neuronów, a także na poziomie poszczególne układy (kora mózgowa, podwzgórze itp.) i cały układ nerwowy jako całość, w tym mózg, rdzeń kręgowy i cała sieć neuronów w organizmie człowieka.

Neurolodzy potrafią rozwiązać zupełnie inne problemy i odpowiedzieć na, czasem, najbardziej nieoczekiwane pytania. Jak przywrócić funkcjonowanie mózgu po udarze i jakie komórki tkanki mózgowej człowieka wpłynęły na jego ewolucję – wszystkie te pytania leżą w kompetencjach neurologów. A także: dlaczego kawa orzeźwia, dlaczego mamy sny i czy można je kontrolować, jak geny determinują nasz charakter i strukturę psychiczną, jak funkcjonowanie układu nerwowego człowieka wpływa na postrzeganie smaków i zapachów i wiele, wiele innych.

Jednym z obiecujących obszarów badań dzisiejszej neurobiologii jest badanie związku między świadomością a działaniem, to znaczy tego, w jaki sposób myśl o wykonaniu działania prowadzi do jego zakończenia. Rozwój ten jest podstawą do powstania zasadniczo nowych technologii, o których obecnie nie mamy pojęcia, lub takich, które zaczynają się szybko rozwijać. Przykładem tego jest tworzenie wrażliwych protez kończyn, które mogą całkowicie przywrócić funkcjonalność utraconej kończyny.

Zdaniem ekspertów, oprócz rozwiązywania „poważnych” problemów, osiągnięcia neurobiologów można wkrótce wykorzystać w celach rozrywkowych, na przykład w branży gier komputerowych, aby uczynić je jeszcze bardziej realistycznymi dla gracza, w tworzeniu specjalnych egzoszkieletów sportowych a także w przemyśle zbrojeniowym.

Tematyka badań w neurobiologii, pomimo wielu badań w tym obszarze i zwiększonego zainteresowania ze strony środowiska naukowego, nie maleje. Dlatego jeszcze kilka pokoleń naukowców będzie musiało rozwiązać tajemnice ludzkiego mózgu i układu nerwowego.

Neurobiolog to naukowiec pracujący w jednej z dziedzin neuronauki. Potrafi zajmować się naukami podstawowymi, czyli prowadzić badania, obserwacje i eksperymenty, tworząc nowe podejścia teoretyczne, znajdując nowe ogólne wzorce, które mogą wyjaśnić pochodzenie poszczególnych przypadków. W tym przypadku naukowca interesują ogólne pytania dotyczące struktury mózgu, charakterystyki interakcji neuronów, badania przyczyn chorób neurologicznych itp.

Z drugiej strony naukowiec może poświęcić się praktyce, decydując, jak zastosować znaną podstawową wiedzę do rozwiązania konkretnych problemów, na przykład w leczeniu chorób związanych z zaburzeniami układu nerwowego.

Specjaliści na co dzień borykają się z następującymi problemami:

1. jak mózg i sieci neuronowe działają na różnych poziomach interakcji, od poziomu komórkowego po poziom systemowy;

2. jak można wiarygodnie zmierzyć reakcje mózgu;

3. jakie powiązania funkcjonalne, anatomiczne i genetyczne można prześledzić w pracy neuronów na różnych poziomach interakcji;

4. jakie wskaźniki funkcjonowania mózgu można uznać w medycynie za diagnostyczne lub prognostyczne;

5. jakie leki należy opracować w leczeniu i ochronie stanów patologicznych i chorób neurodegeneracyjnych układu nerwowego.

Jak zostać specjalistą?

Dodatkowa edukacja

Dowiedz się więcej o możliwych programach przygotowania zawodowego już w wieku szkolnym.

Podstawowe wykształcenie zawodowe

Procenty odzwierciedlają rozkład specjalistów o określonym poziomie wykształcenia na rynku pracy. Kolorem zielonym zaznaczono specjalizacje kluczowe dla opanowania zawodu.

Zdolności i umiejętności

  • Praca z informacją. Umiejętności wyszukiwania, przetwarzania i analizowania otrzymanych informacji
  • Zintegrowane podejście do rozwiązywania problemów. Umiejętność spojrzenia na problem kompleksowo, w kontekście i na tej podstawie doboru niezbędnej puli środków do jego rozwiązania
  • Programowanie. Umiejętność pisania kodu i jego debugowania
  • Obserwacje. Umiejętności prowadzenia obserwacji naukowych, rejestrowania uzyskanych wyników i ich analizy
  • Umiejętności naukowe. Umiejętność zastosowania wiedzy z zakresu nauk przyrodniczych przy rozwiązywaniu problemów zawodowych
  • Umiejętności badawcze. Umiejętność prowadzenia badań, konfigurowania eksperymentów, gromadzenia danych
  • Umiejętności matematyczne. Umiejętność stosowania twierdzeń i wzorów matematycznych przy rozwiązywaniu problemów zawodowych
  • Ocena systemu. Umiejętność zbudowania systemu oceny dowolnego zjawiska lub obiektu, doboru wskaźników oceny i przeprowadzenia na ich podstawie oceny

Zainteresowania i preferencje

  • Analityczne myślenie. Umiejętność analizowania i prognozowania sytuacji, wyciągania wniosków na podstawie dostępnych danych oraz ustalania związków przyczynowo-skutkowych
  • Krytyczne myślenie. Umiejętność krytycznego myślenia: rozważenie zalet i wad, mocnych i słabych stron każdego podejścia do rozwiązania problemu oraz każdego możliwego wyniku
  • Zdolności matematyczne. Umiejętność posługiwania się matematyką i naukami ścisłymi, rozumienie logiki przepisów i twierdzeń matematycznych
  • Zdolność do nauki. Umiejętność szybkiego przyswajania nowych informacji i zastosowania ich w dalszej pracy
  • Asymilacja informacji. Umiejętność szybkiego postrzegania i przyswajania nowych informacji
  • Elastyczność myślenia. Umiejętność jednoczesnego operowania kilkoma regułami, łączenia ich i wyprowadzania najbardziej odpowiedniego modelu zachowania
  • Otwartość na nowe rzeczy. Umiejętność bycia na bieżąco z nowymi informacjami technicznymi i wiedzą związaną z pracą
  • Wyobrażanie sobie. Tworzenie w wyobraźni szczegółowych obrazów obiektów, które należy uzyskać w wyniku pracy
  • Porządkowanie informacji. Możliwość organizowania danych, informacji i rzeczy lub działań w określonej kolejności, zgodnie z określoną regułą lub zestawem reguł
  • Dbałość o szczegóły. Umiejętność koncentracji na szczegółach podczas wykonywania zadań
  • Pamięć. Umiejętność szybkiego zapamiętywania znacznych ilości informacji

Zawód w osobach

Olga Martynowa

Aleksander Surin

Masa mózgu wynosi 3-5% całkowitej masy człowieka. Jest to największy stosunek masy mózgu do masy ciała w królestwie zwierząt.

Do zawodu można wejść z wykształceniem technicznym i matematycznym, ponieważ coraz bardziej potrzebni są specjaliści znający złożone metody analizy statystycznej dużych wolumenów danych i potrafiący pracować z Big Data.

Neurobiolodzy mogą znaleźć pracę na oddziałach neurologii, neuropsychiatrii itp. Kliniki i kliniki miejskie w Moskwie. W organizacjach naukowych specjaliści z zakresu neurobiologii podniosą poziom badań naukowych nad funkcjonowaniem układu nerwowego w zdrowiu i chorobie; w placówkach medycznych poprawią jakość diagnozowania chorób i skrócą czas stawiania diagnozy; przyczyni się do opracowania progresywnych strategii leczenia.

Mózg i układ nerwowy jako całość są prawdopodobnie najbardziej złożonym systemem w organizmie. 70% ludzkiego genomu zapewnia powstawanie i funkcjonowanie mózgu. W ludzkim mózgu znajduje się ponad 100 miliardów jąder komórkowych, czyli więcej niż liczba gwiazd w widzialnym dla człowieka obszarze przestrzeni.

Obecnie naukowcy i lekarze nauczyli się przeszczepiać i zastępować niemal każdą tkankę i każdy narząd w ludzkim ciele. Codziennie wykonuje się wiele operacji przeszczepiania nerek, wątroby, a nawet serca. Jednak operacja przeszczepu głowy zakończyła się sukcesem tylko raz, kiedy radziecki chirurg W. Demichow przeszczepił drugą głowę zdrowemu psu. Wiadomo, że przeprowadził wiele podobnych eksperymentów na psach iw jednym przypadku takie dwugłowe stworzenie żyło prawie miesiąc. Dziś podobne eksperymenty przeprowadza się także na zwierzętach, poszukuje się metod zespolenia mózgu i rdzenia kręgowego podczas przeszczepiania, co jest najważniejszym problemem przy tego typu operacjach, jednak na razie naukowcy są dalecy od przeprowadzania takich operacji na ludzie. Przeszczepy głowy lub mózgu mogłyby pomóc osobom sparaliżowanym, czyli tym, którzy nie mogą kontrolować swojego ciała, ale otwarta pozostaje również kwestia etyki przeszczepów głowy.

Anatolij Buchin

Gdzie studiował: Wydział Fizyki i Mechaniki Politechniki, Ecole Normale Supérieure w Paryżu. Obecnie postdoc na Uniwersytecie Waszyngtońskim.

Czym się zajmuje: neuronauka obliczeniowa

Cechy szczególne: gra na saksofonie i flecie, uprawia jogę, dużo podróżuje

Moje zainteresowanie nauką zrodziło się w dzieciństwie: fascynowały mnie owady, kolekcjonowałem je, badałem ich styl życia i biologię. Mama to zauważyła i zabrała mnie do Laboratorium Ekologii Bentosu Morskiego (LEMB) (bentos to zbiór organizmów żyjących na ziemi i w glebie dna zbiorników wodnych. - Notatka wyd.) w Miejskim Pałacu Twórczości Młodzieży w Petersburgu. Każdego lata w klasach 6–11 wybieraliśmy się na wyprawy nad Morze Białe w Rezerwacie Przyrody Kandalaksha, aby obserwować zwierzęta bezkręgowe i mierzyć ich liczebność. Jednocześnie brałam udział w olimpiadach biologicznych dla uczniów, a wyniki swojej pracy na wyprawach prezentowałam w charakterze badań naukowych. W szkole średniej zainteresowałem się programowaniem, ale zajmowanie się tym wyłącznie nie było zbyt interesujące. Byłem dobry z fizyki i zdecydowałem się znaleźć specjalizację, która będzie łączyć fizykę i biologię. I tak trafiłem na Politechnikę.

Po raz pierwszy przyjechałem do Francji po studiach licencjackich, gdy zdobyłem stypendium na studia magisterskie na Uniwersytecie René Descartes w Paryżu. Odbyłem intensywne staże w laboratoriach i nauczyłem się rejestrować aktywność neuronów w wycinkach mózgu oraz analizować reakcje komórek nerwowych w korze wzrokowej kota podczas prezentacji bodźca wzrokowego. Po uzyskaniu tytułu magistra wróciłem do Petersburga, aby dokończyć studia na Politechnice. Na ostatnim roku studiów magisterskich wspólnie z promotorem przygotowaliśmy rosyjsko-francuski projekt do napisania pracy dyplomowej, a dofinansowanie zdobyłam biorąc udział w konkursie École Normale Supérieure. Przez ostatnie cztery lata pracowałem pod podwójną opieką naukową – Borysem Gutkinem w Paryżu i Antonem Czyżowem w Petersburgu. Krótko przed ukończeniem pracy doktorskiej pojechałem na konferencję do Chicago i dowiedziałem się o stanowisku postdoktora na Uniwersytecie Waszyngtońskim. Po rozmowie kwalifikacyjnej zdecydowałem się pracować tutaj przez kolejne dwa, trzy lata: spodobał mi się projekt, a moja nowa przełożona, Adrienne Fairhall, i ja mieliśmy podobne zainteresowania naukowe.

O neuronauce obliczeniowej

Przedmiotem badań neurobiologii obliczeniowej jest układ nerwowy, a także jego najciekawsza część - mózg. Aby wyjaśnić, co ma z tym wspólnego modelowanie matematyczne, musimy porozmawiać trochę o historii tej młodej nauki. Pod koniec lat 80. w czasopiśmie Science opublikowano artykuł, w którym po raz pierwszy zaczęto mówić o neurobiologii obliczeniowej, nowej interdyscyplinarnej dziedzinie neuronauki zajmującej się opisem informacji i procesów dynamicznych w układzie nerwowym.

Pod wieloma względami podwaliny tej nauki położyli biofizyk Alan Hodgkin i neurofizjolog Andrew Huxley (brat Aldousa Huxleya. - Notatka wyd.). Zbadali mechanizmy wytwarzania i przekazywania impulsów nerwowych w neuronach, wybierając kałamarnicę jako organizm modelowy. W tamtych czasach mikroskopy i elektrody były dalekie od współczesnych, a kałamarnice miały tak grube aksony (procesy, przez które przemieszczają się impulsy nerwowe), że były widoczne nawet gołym okiem. Dzięki temu aksony kałamarnic stały się użytecznym modelem eksperymentalnym. Odkrycie Hodgkina i Huxleya polegało na tym, że za pomocą eksperymentu i modelu matematycznego wyjaśnili, że wytwarzanie impulsu nerwowego odbywa się poprzez zmianę stężenia jonów sodu i potasu przechodzących przez błony neuronów. Następnie okazało się, że mechanizm ten jest uniwersalny dla neuronów wielu zwierząt, w tym ludzi. Brzmi to niecodziennie, ale badając kałamarnice, naukowcom udało się dowiedzieć, w jaki sposób neurony przekazują informacje u ludzi. Hodgkin i Huxley otrzymali za swoje odkrycie w 1963 roku Nagrodę Nobla.

Zadaniem neurobiologii obliczeniowej jest usystematyzowanie ogromnej ilości danych biologicznych na temat informacji i procesów dynamicznych zachodzących w układzie nerwowym. Wraz z rozwojem nowych metod rejestracji aktywności neuronów ilość danych na temat funkcjonowania mózgu rośnie z każdym dniem. Objętość książki „Zasady nauki o neuronach” laureata Nagrody Nobla Erica Kandela, która zawiera podstawowe informacje o pracy mózgu, zwiększa się z każdym nowym wydaniem: książka zaczynała się od 470 stron, a obecnie jej objętość wynosi ponad 1700 strony. Aby usystematyzować tak ogromny zbiór faktów, potrzebne są teorie.

O epilepsji

Na padaczkę cierpi około 1% światowej populacji – czyli 50–60 milionów ludzi. Jedną z radykalnych metod leczenia jest usunięcie obszaru mózgu, z którego pochodzi atak. Ale to nie jest takie proste. Około połowa przypadków padaczki u dorosłych występuje w płacie skroniowym mózgu, który jest połączony z hipokampem. Struktura ta jest odpowiedzialna za powstawanie nowych wspomnień. Jeśli dwie hipokampy zostaną wycięte po obu stronach mózgu, osoba utraci zdolność zapamiętywania nowych rzeczy. To będzie jak ciągły Dzień Świstaka, ponieważ człowiek będzie w stanie zapamiętać coś tylko przez 10 minut. Istotą moich badań było przewidzenie mniej radykalnych, ale innych możliwych i skutecznych sposobów walki z padaczką. W swojej pracy magisterskiej próbowałem zrozumieć, jak zaczyna się napad padaczkowy.

Aby zrozumieć, co dzieje się z mózgiem podczas ataku, wyobraź sobie, że przyszedłeś na koncert i w pewnym momencie sala eksplodowała brawami. Klaskasz w swoim własnym rytmie, a ludzie wokół ciebie klaszczą w innym rytmie. Jeśli wystarczająca liczba osób zacznie klaskać w ten sam sposób, trudno będzie ci utrzymać rytm i prawdopodobnie skończysz na klaskaniu razem ze wszystkimi innymi. Padaczka działa w podobny sposób, gdy neurony w mózgu zaczynają się synchronizować, to znaczy wytwarzać impulsy w tym samym czasie. Ten proces synchronizacji może obejmować całe obszary mózgu, w tym te kontrolujące ruch, powodując napad. Chociaż większość napadów charakteryzuje się brakiem napadów, ponieważ padaczka nie zawsze występuje w obszarach motorycznych.

Załóżmy, że dwa neurony są połączone połączeniami pobudzającymi w obu kierunkach. Jeden neuron wysyła impuls do drugiego, co go pobudza, a ten odsyła impuls z powrotem. Jeśli połączenia pobudzające są zbyt silne, doprowadzi to do wzrostu aktywności w wyniku wymiany impulsów. Zwykle tak się nie dzieje, ponieważ istnieją neurony hamujące, które zmniejszają aktywność nadmiernie aktywnych komórek. Jeśli jednak hamowanie przestanie działać prawidłowo, może to prowadzić do epilepsji. Dzieje się tak często na skutek nadmiernego gromadzenia się chloru w neuronach. W swojej pracy opracowałem model matematyczny sieci neuronów, która może przejść w stan padaczkowy na skutek patologii hamowania związanej z gromadzeniem się chloru wewnątrz neuronów. Pomogły mi w tym nagrania aktywności neuronów w tkance ludzkiej uzyskane po operacjach u pacjentów z padaczką. Skonstruowany model pozwala na testowanie hipotez dotyczących mechanizmów padaczki w celu wyjaśnienia szczegółów tej patologii. Okazało się, że przywrócenie równowagi chloru w neuronach piramidowych może pomóc w zatrzymaniu ataku padaczki poprzez przywrócenie równowagi pobudzenia – hamowania w sieci neuronów. Mój drugi promotor, Anton Chizhov z Instytutu Fizyko-Technicznego w Petersburgu, otrzymał niedawno grant od Rosyjskiej Fundacji Nauki na badania nad padaczką, więc ten kierunek badań będzie kontynuowany w Rosji.

Obecnie istnieje wiele interesujących prac w dziedzinie neuronauki obliczeniowej. Na przykład w Szwajcarii realizowany jest projekt Blue Brain, którego celem jest jak najdokładniejsze opisanie małej części mózgu - kory somatosensorycznej szczura, która jest odpowiedzialna za wykonywanie ruchów. Nawet w małym mózgu szczura znajdują się miliardy neuronów i wszystkie są ze sobą w określony sposób połączone. Na przykład w korze jeden neuron piramidalny tworzy połączenia z około 10 000 innych neuronów. W ramach projektu Blue Brain zarejestrowano aktywność około 14 000 komórek nerwowych, scharakteryzowano ich kształt i zrekonstruowano około 8 000 000 połączeń między nimi. Następnie za pomocą specjalnych algorytmów połączyli ze sobą neurony w biologicznie prawdopodobny sposób, aby w takiej sieci mogła pojawić się aktywność. Model potwierdził teoretycznie ustalone zasady organizacji kory mózgowej – na przykład równowagę między pobudzeniem a hamowaniem. A teraz w Europie realizowany jest duży projekt o nazwie Human Brain Project. Musi opisywać cały ludzki mózg, biorąc pod uwagę wszystkie dostępne dziś dane. Ten międzynarodowy projekt jest swego rodzaju Wielkim Zderzaczem Hadronów z neurologii, ponieważ uczestniczy w nim około stu laboratoriów z ponad 20 krajów.

Krytycy projektów Blue Brain i Human Brain Project kwestionują znaczenie samej ilości szczegółów w opisie działania mózgu. Dla porównania, jak ważny jest opis Newskiego Prospektu w Petersburgu na mapie, na której widoczne są tylko kontynenty? Jednak próba zgromadzenia ogromnej ilości danych jest z pewnością ważna. W najgorszym przypadku, nawet jeśli nie do końca zrozumiemy, jak działa mózg, zbudowawszy taki model, będziemy mogli zastosować go w medycynie. Na przykład do badania mechanizmów różnych chorób i modelowania działania nowych leków.

W USA mój projekt poświęcony jest badaniu układu nerwowego Hydry. Pomimo tego, że nawet w szkolnych podręcznikach biologii jest jednym z pierwszych badanych, jego układ nerwowy jest nadal słabo poznany. Hydra jest krewną meduzy, więc jest równie przezroczysta i ma stosunkowo niewielką liczbę neuronów - od 2 do 5 tys. Dzięki temu możliwa jest jednoczesna rejestracja aktywności praktycznie wszystkich komórek układu nerwowego. W tym celu wykorzystuje się narzędzie takie jak „obrazowanie wapnia”. Faktem jest, że za każdym razem, gdy neuron się wyładowuje, zmienia się stężenie wapnia w komórce. Jeśli dodamy do tego specjalną farbę, która zacznie świecić wraz ze wzrostem stężenia wapnia, to za każdym razem, gdy zostanie wygenerowany impuls nerwowy, zobaczymy charakterystyczną poświatę, po której będziemy mogli określić aktywność neuronu. Umożliwia to rejestrację aktywności żywego zwierzęcia podczas jego zachowania. Analiza takiej aktywności pozwoli nam zrozumieć, w jaki sposób układ nerwowy hydry kontroluje jej ruch. Analogie uzyskane z takich badań można wykorzystać do opisu ruchu bardziej złożonych zwierząt, takich jak ssaki. A w dłuższej perspektywie – w neuroinżynierii do stworzenia nowych systemów kontroli aktywności nerwowej.

O znaczeniu neuronauki dla społeczeństwa

Dlaczego neuronauka jest tak ważna dla współczesnego społeczeństwa? Po pierwsze, jest to szansa na opracowanie nowych metod leczenia chorób neurologicznych. Jak znaleźć lekarstwo, jeśli nie rozumie się, jak ono działa na poziomie całego mózgu? Mój przełożony w Paryżu, Borys Gutkin, który pracuje także w Wyższej Szkole Ekonomicznej w Moskwie, zajmuje się uzależnieniem od kokainy i alkoholu. Jego praca poświęcona jest opisaniu tych zmian w systemie wzmocnień, które prowadzą do uzależnienia. Po drugie, są to nowe technologie – w szczególności neuroprotetyka. Na przykład osoba, która została pozbawiona ręki, dzięki implantowi wszczepionemu do mózgu, będzie mogła kontrolować sztuczne kończyny. Alexey Osadchiy z HSE aktywnie uczestniczy w tym obszarze w Rosji. Po trzecie, w dłuższej perspektywie jest to wejście w IT, czyli technologię uczenia maszynowego. Po czwarte, jest to sfera edukacji. Dlaczego na przykład uważamy, że 45 minut to najskuteczniejsza długość lekcji w szkole? Być może warto bliżej przyjrzeć się temu zagadnieniu, korzystając ze spostrzeżeń neuronauki poznawczej. W ten sposób możemy lepiej zrozumieć, w jaki sposób możemy skuteczniej uczyć w szkołach i na uniwersytetach oraz jak efektywniej planować swój dzień pracy.

O networkingu w nauce

W nauce kwestia komunikacji pomiędzy naukowcami jest bardzo istotna. Networking wymaga uczestnictwa w szkołach naukowych i konferencjach, aby być na bieżąco z aktualnym stanem rzeczy. Szkoła naukowa to taka wielka impreza: przez miesiąc znajdujesz się wśród innych doktorantów i postdoktorów. Podczas Twoich studiów przychodzą do Ciebie znani naukowcy i opowiadają o swojej pracy. Jednocześnie pracujesz nad indywidualnym projektem i jesteś pod opieką osoby bardziej doświadczonej. Równie ważne jest utrzymywanie dobrych relacji z przełożonym. Jeśli student studiów magisterskich nie będzie posiadał dobrych listów polecających, jest mało prawdopodobne, że zostanie przyjęty na staż. Od stażu zależy, czy zostanie zatrudniony do napisania pracy dyplomowej. Z wyników rozprawy - dalsze życie naukowe. Na każdym z tych etapów zawsze proszą menedżera o informację zwrotną, a jeśli dana osoba nie pracowała zbyt dobrze, szybko się o tym dowiadujemy, dlatego ważne jest, aby cenić swoją reputację.

Jeśli chodzi o plany długoterminowe, planuję odbyć kilka staży podoktorskich, zanim znajdę stałą pracę na uczelni lub w laboratorium badawczym. Wymaga to wystarczającej liczby publikacji, które są obecnie w toku. Jeśli wszystko pójdzie dobrze, myślę o powrocie za kilka lat do Rosji, aby zorganizować tu własne laboratorium lub grupę naukową.

Katedra Wyższej Aktywności Nerwowej jest jednym z wiodących w naszym kraju ośrodków naukowo-dydaktycznych zajmujących się badaniem neurobiologicznych i psychofizjologicznych podstaw zachowań ludzi i zwierząt oraz kształceniem wysoko wykwalifikowanych specjalistów z zakresu neurofizjologii i psychofizjologii.

Dziś wydział to duży zespół podobnie myślących ludzi, składający się z ponad 20 nauczycieli i badaczy. Na Wydziale pracuje 5 doktorów i 10 kandydatów na pracowników naukowych, wszyscy są absolwentami Wydziału.

Katedra prowadzi prace dydaktyczne w ramach studiów licencjackich na kierunku 06.03.01 Biologia i studia magisterskie na kierunku 06.04.01 Biologia, profil „Fizjologia, biochemia, biofizyka”. Pracownicy Katedry realizują zajęcia podstawowe, fakultatywne, specjalizacyjne i staże dla studentów. Autorskie studia magisterskie są tematycznie powiązane z głównymi obszarami działalności naukowej katedry. Studia podyplomowe i doktoranckie wydziału zapewniają kształcenie w specjalnościach 19.00.02 Psychofizjologia, 03.03.01 Fizjologia.

Najważniejszą część kadry Katedry stanowią studenci studiów licencjackich, magisterskich i magisterskich. Studenci studiów licencjackich i magisterskich aktywnie włączają się w rozwój głównych obszarów badawczych rozwijanych na Wydziale, wzbogacając tym samym swój potencjał zawodowy.

Praca naukowa na Zakładzie prowadzona jest w pięciu laboratoriach: psychofizjologii, fizjologii układów sensomotorycznych, elektroencefalografii, Naukowym Centrum Psychofizjologii Matki i Dziecka oraz Zespole Badań Mowy Dziecięcej. W centrum działalności naukowej katedry znajduje się problem kompleksowego badania psychofizjologicznych mechanizmów funkcji poznawczych i stanów emocjonalnych, których rozwój odbywa się w następujących głównych obszarach:

    Badanie mechanizmów funkcji poznawczych, przede wszystkim pamięci i uczenia się, uwagi, podejmowania decyzji. Badanie mózgowych mechanizmów koordynacji czynności układu sensorycznego i motorycznego (koordynacja sensomotoryczna) jako podstawy funkcji umysłowych mózgu człowieka.

    Badanie aktywności mózgu człowieka z wykorzystaniem rejestracji biopotencjałów mózgu.

    Badanie wczesnych stadiów rozwoju funkcji poznawczych w zależności od warunków rozwoju prenatalnego.

    Badanie cech neurobiologicznych kształtowania się zachowań społecznych i wpływu neurohormonów na zachowanie zwierząt w warunkach normalnych i pod wpływem stresu.

    Kompleksowe badanie różnych aspektów rozwoju mowy dziecka od wczesnych etapów ontogenezy i określenie roli różnych czynników w nabywaniu mowy i języka.

Pomyślny rozwój działalności naukowej i pedagogicznej na wydziale ułatwiają ścisłe powiązania z wieloma instytucjami akademickimi, w tym z Instytutem Ludzkiego Mózgu Rosyjskiej Akademii Nauk, Instytutem Fizjologii im. I.P. Pavlova RAS, Instytut Biochemii Ewolucyjnej i Fizjologii im. I.M. Sechenov RAS, Pediatryczna Akademia Medyczna, na podstawie której wielu studentów wykonuje swoją pracę kwalifikacyjną. Katedra prowadzi aktywną współpracę naukowo-dydaktyczną z rosyjskimi i zagranicznymi uczelniami oraz laboratoriami badawczymi (Uniwersytet w Helsinkach, Finlandia; Centrum F.C. Donders, Holandia; Uniwersytet w Gavle, Szwecja; Wyższa Szkoła Ekonomiczna w Moskwie).

Anatolij Buchin

Gdzie studiował: Wydział Fizyki i Mechaniki Politechniki, Ecole Normale Supérieure w Paryżu. Obecnie postdoc na Uniwersytecie Waszyngtońskim.

Czym się zajmuje: neuronauka obliczeniowa

Cechy szczególne: gra na saksofonie i flecie, uprawia jogę, dużo podróżuje

Moje zainteresowanie nauką zrodziło się w dzieciństwie: fascynowały mnie owady, kolekcjonowałem je, badałem ich styl życia i biologię. Mama to zauważyła i zabrała mnie do Laboratorium Ekologii Bentosu Morskiego (LEMB) (bentos to zbiór organizmów żyjących na ziemi i w glebie dna zbiorników wodnych. - Notatka wyd.) w Miejskim Pałacu Twórczości Młodzieży w Petersburgu. Każdego lata w klasach 6–11 wybieraliśmy się na wyprawy nad Morze Białe w Rezerwacie Przyrody Kandalaksha, aby obserwować zwierzęta bezkręgowe i mierzyć ich liczebność. Jednocześnie brałam udział w olimpiadach biologicznych dla uczniów, a wyniki swojej pracy na wyprawach prezentowałam w charakterze badań naukowych. W szkole średniej zainteresowałem się programowaniem, ale zajmowanie się tym wyłącznie nie było zbyt interesujące. Byłem dobry z fizyki i zdecydowałem się znaleźć specjalizację, która będzie łączyć fizykę i biologię. I tak trafiłem na Politechnikę.

Po raz pierwszy przyjechałem do Francji po studiach licencjackich, gdy zdobyłem stypendium na studia magisterskie na Uniwersytecie René Descartes w Paryżu. Odbyłem intensywne staże w laboratoriach i nauczyłem się rejestrować aktywność neuronów w wycinkach mózgu oraz analizować reakcje komórek nerwowych w korze wzrokowej kota podczas prezentacji bodźca wzrokowego. Po uzyskaniu tytułu magistra wróciłem do Petersburga, aby dokończyć studia na Politechnice. Na ostatnim roku studiów magisterskich wspólnie z promotorem przygotowaliśmy rosyjsko-francuski projekt do napisania pracy dyplomowej, a dofinansowanie zdobyłam biorąc udział w konkursie École Normale Supérieure. Przez ostatnie cztery lata pracowałem pod podwójną opieką naukową – Borysem Gutkinem w Paryżu i Antonem Czyżowem w Petersburgu. Krótko przed ukończeniem pracy doktorskiej pojechałem na konferencję do Chicago i dowiedziałem się o stanowisku postdoktora na Uniwersytecie Waszyngtońskim. Po rozmowie kwalifikacyjnej zdecydowałem się pracować tutaj przez kolejne dwa, trzy lata: spodobał mi się projekt, a moja nowa przełożona, Adrienne Fairhall, i ja mieliśmy podobne zainteresowania naukowe.

O neuronauce obliczeniowej

Przedmiotem badań neurobiologii obliczeniowej jest układ nerwowy, a także jego najciekawsza część - mózg. Aby wyjaśnić, co ma z tym wspólnego modelowanie matematyczne, musimy porozmawiać trochę o historii tej młodej nauki. Pod koniec lat 80. w czasopiśmie Science opublikowano artykuł, w którym po raz pierwszy zaczęto mówić o neurobiologii obliczeniowej, nowej interdyscyplinarnej dziedzinie neuronauki zajmującej się opisem informacji i procesów dynamicznych w układzie nerwowym.

Pod wieloma względami podwaliny tej nauki położyli biofizyk Alan Hodgkin i neurofizjolog Andrew Huxley (brat Aldousa Huxleya. - Notatka wyd.). Zbadali mechanizmy wytwarzania i przekazywania impulsów nerwowych w neuronach, wybierając kałamarnicę jako organizm modelowy. W tamtych czasach mikroskopy i elektrody były dalekie od współczesnych, a kałamarnice miały tak grube aksony (procesy, przez które przemieszczają się impulsy nerwowe), że były widoczne nawet gołym okiem. Dzięki temu aksony kałamarnic stały się użytecznym modelem eksperymentalnym. Odkrycie Hodgkina i Huxleya polegało na tym, że za pomocą eksperymentu i modelu matematycznego wyjaśnili, że wytwarzanie impulsu nerwowego odbywa się poprzez zmianę stężenia jonów sodu i potasu przechodzących przez błony neuronów. Następnie okazało się, że mechanizm ten jest uniwersalny dla neuronów wielu zwierząt, w tym ludzi. Brzmi to niecodziennie, ale badając kałamarnice, naukowcom udało się dowiedzieć, w jaki sposób neurony przekazują informacje u ludzi. Hodgkin i Huxley otrzymali za swoje odkrycie w 1963 roku Nagrodę Nobla.

Zadaniem neurobiologii obliczeniowej jest usystematyzowanie ogromnej ilości danych biologicznych na temat informacji i procesów dynamicznych zachodzących w układzie nerwowym. Wraz z rozwojem nowych metod rejestracji aktywności neuronów ilość danych na temat funkcjonowania mózgu rośnie z każdym dniem. Objętość książki „Zasady nauki o neuronach” laureata Nagrody Nobla Erica Kandela, która zawiera podstawowe informacje o pracy mózgu, zwiększa się z każdym nowym wydaniem: książka zaczynała się od 470 stron, a obecnie jej objętość wynosi ponad 1700 strony. Aby usystematyzować tak ogromny zbiór faktów, potrzebne są teorie.

O epilepsji

Na padaczkę cierpi około 1% światowej populacji – czyli 50–60 milionów ludzi. Jedną z radykalnych metod leczenia jest usunięcie obszaru mózgu, z którego pochodzi atak. Ale to nie jest takie proste. Około połowa przypadków padaczki u dorosłych występuje w płacie skroniowym mózgu, który jest połączony z hipokampem. Struktura ta jest odpowiedzialna za powstawanie nowych wspomnień. Jeśli dwie hipokampy zostaną wycięte po obu stronach mózgu, osoba utraci zdolność zapamiętywania nowych rzeczy. To będzie jak ciągły Dzień Świstaka, ponieważ człowiek będzie w stanie zapamiętać coś tylko przez 10 minut. Istotą moich badań było przewidzenie mniej radykalnych, ale innych możliwych i skutecznych sposobów walki z padaczką. W swojej pracy magisterskiej próbowałem zrozumieć, jak zaczyna się napad padaczkowy.

Aby zrozumieć, co dzieje się z mózgiem podczas ataku, wyobraź sobie, że przyszedłeś na koncert i w pewnym momencie sala eksplodowała brawami. Klaskasz w swoim własnym rytmie, a ludzie wokół ciebie klaszczą w innym rytmie. Jeśli wystarczająca liczba osób zacznie klaskać w ten sam sposób, trudno będzie ci utrzymać rytm i prawdopodobnie skończysz na klaskaniu razem ze wszystkimi innymi. Padaczka działa w podobny sposób, gdy neurony w mózgu zaczynają się synchronizować, to znaczy wytwarzać impulsy w tym samym czasie. Ten proces synchronizacji może obejmować całe obszary mózgu, w tym te kontrolujące ruch, powodując napad. Chociaż większość napadów charakteryzuje się brakiem napadów, ponieważ padaczka nie zawsze występuje w obszarach motorycznych.

Załóżmy, że dwa neurony są połączone połączeniami pobudzającymi w obu kierunkach. Jeden neuron wysyła impuls do drugiego, co go pobudza, a ten odsyła impuls z powrotem. Jeśli połączenia pobudzające są zbyt silne, doprowadzi to do wzrostu aktywności w wyniku wymiany impulsów. Zwykle tak się nie dzieje, ponieważ istnieją neurony hamujące, które zmniejszają aktywność nadmiernie aktywnych komórek. Jeśli jednak hamowanie przestanie działać prawidłowo, może to prowadzić do epilepsji. Dzieje się tak często na skutek nadmiernego gromadzenia się chloru w neuronach. W swojej pracy opracowałem model matematyczny sieci neuronów, która może przejść w stan padaczkowy na skutek patologii hamowania związanej z gromadzeniem się chloru wewnątrz neuronów. Pomogły mi w tym nagrania aktywności neuronów w tkance ludzkiej uzyskane po operacjach u pacjentów z padaczką. Skonstruowany model pozwala na testowanie hipotez dotyczących mechanizmów padaczki w celu wyjaśnienia szczegółów tej patologii. Okazało się, że przywrócenie równowagi chloru w neuronach piramidowych może pomóc w zatrzymaniu ataku padaczki poprzez przywrócenie równowagi pobudzenia – hamowania w sieci neuronów. Mój drugi promotor, Anton Chizhov z Instytutu Fizyko-Technicznego w Petersburgu, otrzymał niedawno grant od Rosyjskiej Fundacji Nauki na badania nad padaczką, więc ten kierunek badań będzie kontynuowany w Rosji.

Obecnie istnieje wiele interesujących prac w dziedzinie neuronauki obliczeniowej. Na przykład w Szwajcarii realizowany jest projekt Blue Brain, którego celem jest jak najdokładniejsze opisanie małej części mózgu - kory somatosensorycznej szczura, która jest odpowiedzialna za wykonywanie ruchów. Nawet w małym mózgu szczura znajdują się miliardy neuronów i wszystkie są ze sobą w określony sposób połączone. Na przykład w korze jeden neuron piramidalny tworzy połączenia z około 10 000 innych neuronów. W ramach projektu Blue Brain zarejestrowano aktywność około 14 000 komórek nerwowych, scharakteryzowano ich kształt i zrekonstruowano około 8 000 000 połączeń między nimi. Następnie za pomocą specjalnych algorytmów połączyli ze sobą neurony w biologicznie prawdopodobny sposób, aby w takiej sieci mogła pojawić się aktywność. Model potwierdził teoretycznie ustalone zasady organizacji kory mózgowej – na przykład równowagę między pobudzeniem a hamowaniem. A teraz w Europie realizowany jest duży projekt o nazwie Human Brain Project. Musi opisywać cały ludzki mózg, biorąc pod uwagę wszystkie dostępne dziś dane. Ten międzynarodowy projekt jest swego rodzaju Wielkim Zderzaczem Hadronów z neurologii, ponieważ uczestniczy w nim około stu laboratoriów z ponad 20 krajów.

Krytycy projektów Blue Brain i Human Brain Project kwestionują znaczenie samej ilości szczegółów w opisie działania mózgu. Dla porównania, jak ważny jest opis Newskiego Prospektu w Petersburgu na mapie, na której widoczne są tylko kontynenty? Jednak próba zgromadzenia ogromnej ilości danych jest z pewnością ważna. W najgorszym przypadku, nawet jeśli nie do końca zrozumiemy, jak działa mózg, zbudowawszy taki model, będziemy mogli zastosować go w medycynie. Na przykład do badania mechanizmów różnych chorób i modelowania działania nowych leków.

W USA mój projekt poświęcony jest badaniu układu nerwowego Hydry. Pomimo tego, że nawet w szkolnych podręcznikach biologii jest jednym z pierwszych badanych, jego układ nerwowy jest nadal słabo poznany. Hydra jest krewną meduzy, więc jest równie przezroczysta i ma stosunkowo niewielką liczbę neuronów - od 2 do 5 tys. Dzięki temu możliwa jest jednoczesna rejestracja aktywności praktycznie wszystkich komórek układu nerwowego. W tym celu wykorzystuje się narzędzie takie jak „obrazowanie wapnia”. Faktem jest, że za każdym razem, gdy neuron się wyładowuje, zmienia się stężenie wapnia w komórce. Jeśli dodamy do tego specjalną farbę, która zacznie świecić wraz ze wzrostem stężenia wapnia, to za każdym razem, gdy zostanie wygenerowany impuls nerwowy, zobaczymy charakterystyczną poświatę, po której będziemy mogli określić aktywność neuronu. Umożliwia to rejestrację aktywności żywego zwierzęcia podczas jego zachowania. Analiza takiej aktywności pozwoli nam zrozumieć, w jaki sposób układ nerwowy hydry kontroluje jej ruch. Analogie uzyskane z takich badań można wykorzystać do opisu ruchu bardziej złożonych zwierząt, takich jak ssaki. A w dłuższej perspektywie – w neuroinżynierii do stworzenia nowych systemów kontroli aktywności nerwowej.

O znaczeniu neuronauki dla społeczeństwa

Dlaczego neuronauka jest tak ważna dla współczesnego społeczeństwa? Po pierwsze, jest to szansa na opracowanie nowych metod leczenia chorób neurologicznych. Jak znaleźć lekarstwo, jeśli nie rozumie się, jak ono działa na poziomie całego mózgu? Mój przełożony w Paryżu, Borys Gutkin, który pracuje także w Wyższej Szkole Ekonomicznej w Moskwie, zajmuje się uzależnieniem od kokainy i alkoholu. Jego praca poświęcona jest opisaniu tych zmian w systemie wzmocnień, które prowadzą do uzależnienia. Po drugie, są to nowe technologie – w szczególności neuroprotetyka. Na przykład osoba, która została pozbawiona ręki, dzięki implantowi wszczepionemu do mózgu, będzie mogła kontrolować sztuczne kończyny. Alexey Osadchiy z HSE aktywnie uczestniczy w tym obszarze w Rosji. Po trzecie, w dłuższej perspektywie jest to wejście w IT, czyli technologię uczenia maszynowego. Po czwarte, jest to sfera edukacji. Dlaczego na przykład uważamy, że 45 minut to najskuteczniejsza długość lekcji w szkole? Być może warto bliżej przyjrzeć się temu zagadnieniu, korzystając ze spostrzeżeń neuronauki poznawczej. W ten sposób możemy lepiej zrozumieć, w jaki sposób możemy skuteczniej uczyć w szkołach i na uniwersytetach oraz jak efektywniej planować swój dzień pracy.

O networkingu w nauce

W nauce kwestia komunikacji pomiędzy naukowcami jest bardzo istotna. Networking wymaga uczestnictwa w szkołach naukowych i konferencjach, aby być na bieżąco z aktualnym stanem rzeczy. Szkoła naukowa to taka wielka impreza: przez miesiąc znajdujesz się wśród innych doktorantów i postdoktorów. Podczas Twoich studiów przychodzą do Ciebie znani naukowcy i opowiadają o swojej pracy. Jednocześnie pracujesz nad indywidualnym projektem i jesteś pod opieką osoby bardziej doświadczonej. Równie ważne jest utrzymywanie dobrych relacji z przełożonym. Jeśli student studiów magisterskich nie będzie posiadał dobrych listów polecających, jest mało prawdopodobne, że zostanie przyjęty na staż. Od stażu zależy, czy zostanie zatrudniony do napisania pracy dyplomowej. Z wyników rozprawy - dalsze życie naukowe. Na każdym z tych etapów zawsze proszą menedżera o informację zwrotną, a jeśli dana osoba nie pracowała zbyt dobrze, szybko się o tym dowiadujemy, dlatego ważne jest, aby cenić swoją reputację.

Jeśli chodzi o plany długoterminowe, planuję odbyć kilka staży podoktorskich, zanim znajdę stałą pracę na uczelni lub w laboratorium badawczym. Wymaga to wystarczającej liczby publikacji, które są obecnie w toku. Jeśli wszystko pójdzie dobrze, myślę o powrocie za kilka lat do Rosji, aby zorganizować tu własne laboratorium lub grupę naukową.



© 2024 skypenguin.ru - Wskazówki dotyczące opieki nad zwierzętami