Neurobiológia študuje nervový systém ľudí a zvierat, pričom zvažuje otázky štruktúry, fungovania, vývoja, fyziológie, patológie nervového systému a mozgu. Neurobiológia je veľmi široký vedný odbor, ktorý pokrýva mnoho oblastí, napríklad neurofyziológiu, neurochémiu, neurogenetiku. Neurobiológia úzko súvisí s kognitívnymi vedami, psychológiou a má čoraz väčší vplyv na štúdium sociálno-psychologických javov.
Štúdium nervového systému vo všeobecnosti a mozgu zvlášť môže prebiehať na molekulárnej alebo bunkovej úrovni, keď sa študuje štruktúra a fungovanie jednotlivých neurónov, na úrovni jednotlivých zhlukov neurónov, ako aj na úrovni jednotlivé systémy (mozgová kôra, hypotalamus atď.) a celý nervový systém ako celok vrátane mozgu, miechy a celej siete neurónov v ľudskom tele.
Neurovedci dokážu vyriešiť úplne iné problémy a odpovedať niekedy na tie najneočakávanejšie otázky. Ako obnoviť funkciu mozgu po mozgovej príhode a ktoré bunky v ľudskom mozgovom tkanive ovplyvnili jej vývoj – všetky tieto otázky sú v kompetencii neurovedcov. A tiež: prečo káva povzbudzuje, prečo vidíme sny a či sa dajú ovládať, ako gény určujú náš charakter a duševnú štruktúru, ako fungovanie nervovej sústavy človeka ovplyvňuje vnímanie chutí a vôní a mnohé, mnohé iné.
Jednou zo sľubných oblastí výskumu v neurobiológii je dnes skúmanie prepojenia vedomia a konania, teda toho, ako myšlienka na vykonanie činnosti vedie k jej dokončeniu. Tento vývoj je základom pre vytváranie zásadne nových technológií, o ktorých v súčasnosti nemáme ani poňatia, alebo tých, ktoré sa začínajú rýchlo rozvíjať. Príkladom toho je vytvorenie citlivých protéz končatín, ktoré dokážu úplne obnoviť funkčnosť stratenej končatiny.
Podľa odborníkov sa vývoj neurovedcov dá okrem riešenia „vážnych“ problémov čoskoro využiť aj na zábavné účely, napríklad v priemysle počítačových hier, aby boli pre hráča ešte realistickejšie, pri vytváraní špeciálnych športových exoskeletonov. , ako aj vo vojenskom priemysle.
Témy na štúdium v neurobiológii sa napriek mnohým výskumom v tejto oblasti a zvýšenému záujmu vedeckej komunity nezmenšujú. Preto bude musieť niekoľko ďalších generácií vedcov vyriešiť záhady, ktoré sa skrývajú v ľudskom mozgu a nervovom systéme.
Neurovedec je vedec, ktorý pracuje v jednej z oblastí neurovedy. Môže sa venovať základnej vede, to znamená vykonávať výskum, pozorovania a experimenty, formovať nové teoretické prístupy, nachádzať nové všeobecné vzorce, ktoré môžu vysvetliť pôvod konkrétnych prípadov. V tomto prípade sa vedec zaujíma o všeobecné otázky o štruktúre mozgu, vlastnostiach interakcie neurónov, študuje príčiny neurologických ochorení atď.
Na druhej strane sa vedec môže venovať praxi, rozhodovať sa, ako aplikovať známe základné poznatky pri riešení konkrétnych problémov, napríklad pri liečbe chorôb spojených s poruchami nervového systému.
Každý deň sa špecialisti stretávajú s nasledujúcimi problémami:
1. ako mozog a neurónové siete fungujú na rôznych úrovniach interakcie, od bunkovej až po systémovú úroveň;
2. ako možno spoľahlivo merať reakcie mozgu;
3. aké súvislosti, funkčné, anatomické a genetické, možno vysledovať v práci neurónov na rôznych úrovniach interakcie;
4. ktoré ukazovatele funkcie mozgu možno v medicíne považovať za diagnostické alebo prognostické;
5. aké lieky by sa mali vyvinúť na liečbu a ochranu patologických stavov a neurodegeneratívnych ochorení nervového systému.
Ako sa stať špecialistom?
Doplnkové vzdelanie
Zistite viac o možných programoch prípravy na povolanie ešte v školskom veku.
Základné odborné vzdelanie
Percentá vyjadrujú rozloženie odborníkov s určitým stupňom vzdelania na trhu práce. Kľúčové špecializácie na zvládnutie povolania sú označené zelenou farbou.
Schopnosti a zručnosti
- Práca s informáciami. Schopnosť vyhľadávať, spracovávať a analyzovať prijaté informácie
- Integrovaný prístup k riešeniu problémov. Schopnosť vidieť problém komplexne, v súvislostiach a na základe toho vybrať potrebný súbor opatrení na jeho riešenie
- Programovanie. Zručnosti v písaní kódu a jeho ladení
- Pozorovania. Schopnosť vykonávať vedecké pozorovania, zaznamenávať získané výsledky a analyzovať ich
- Vedecké zručnosti. Schopnosť aplikovať poznatky z oblasti prírodných vied pri riešení odborných problémov
- Výskumné zručnosti. Schopnosť vykonávať výskum, zakladať experimenty, zbierať údaje
- Matematické zručnosti. Schopnosť aplikovať matematické vety a vzorce pri riešení odborných úloh
- Hodnotenie systému. Schopnosť vybudovať systém na hodnotenie akéhokoľvek javu alebo objektu, vybrať indikátory hodnotenia a na základe nich vykonať hodnotenie
Záujmy a preferencie
- Analytické myslenie. Schopnosť analyzovať a predpovedať situáciu, vyvodzovať závery na základe dostupných údajov a vytvárať vzťahy medzi príčinami a následkami
- Kritické myslenie. Schopnosť kriticky myslieť: zvážiť klady a zápory, silné a slabé stránky každého prístupu k riešeniu problému a každého možného výsledku
- Matematické schopnosti. Schopnosť v matematike a exaktných vedách, pochopenie logiky matematických ustanovení a teorémov
- Schopnosť učiť sa. Schopnosť rýchlo asimilovať nové informácie a aplikovať ich v ďalšej práci
- Asimilácia informácií. Schopnosť rýchlo vnímať a asimilovať nové informácie
- Flexibilita myslenia. Schopnosť pracovať s niekoľkými pravidlami súčasne, kombinovať ich a odvodiť najrelevantnejší model správania
- Otvorenosť novým veciam. Schopnosť držať krok s novými technickými informáciami a pracovnými znalosťami
- Vizualizácia. Vytváranie vo fantázii detailných obrázkov tých predmetov, ktoré je potrebné získať ako výsledok práce
- Usporiadanie informácií. Schopnosť usporiadať údaje, informácie a veci alebo akcie v určitom poradí podľa určitého pravidla alebo súboru pravidiel
- Pozornosť na detaily. Schopnosť sústrediť sa na detaily pri plnení úloh
- Pamäť. Schopnosť rýchlo si zapamätať značné množstvo informácií
Profesia v osobách
Oľga Martynová
Alexander Surin
Hmotnosť mozgu je 3-5% z celkovej hmotnosti človeka. A to je najväčší pomer hmotnosti mozgu a tela v živočíšnej ríši.
Do profesie môžete vstúpiť s technickým a matematickým vzdelaním, pretože stále viac sú žiadaní špecialisti, ktorí poznajú komplexné metódy štatistickej analýzy veľkých objemov dát a vedia pracovať s veľkými dátami.
Neurovedci môžu nájsť prácu na oddeleniach neurológie, neuropsychiatrie atď. Moskovské mestské kliniky a kliniky. Vo vedeckých organizáciách budú odborníci v oblasti neurobiológie zvyšovať úroveň vedeckého výskumu fungovania nervového systému v zdraví a chorobe; v zdravotníckych zariadeniach skvalitnia diagnostiku chorôb a skrátia čas na stanovenie diagnózy; prispeje k rozvoju progresívnych liečebných stratégií.
Mozog a nervový systém ako celok sú možno najkomplexnejším systémom v tele. 70% ľudského genómu zabezpečuje tvorbu a fungovanie mozgu. V ľudskom mozgu sa nachádza viac ako 100 miliárd bunkových jadier, čo je viac ako počet hviezd v ľudsky viditeľnej oblasti vesmíru.
Dnes sa vedci a lekári naučili transplantovať a nahradiť takmer akékoľvek tkanivo a akýkoľvek orgán v ľudskom tele. Každý deň sa vykonáva mnoho operácií transplantácie obličiek, pečene a dokonca aj srdca. Transplantácia hlavy však bola úspešná iba raz, keď sovietsky chirurg V. Demikhov transplantoval druhú hlavu zdravému psovi. Je známe, že veľa podobných pokusov robil na psoch a v jednom prípade takýto dvojhlavý tvor žil takmer mesiac. Dnes sa podobné pokusy robia aj na zvieratách, hľadajú sa metódy na fúziu mozgu a miechy pri transplantácii, čo je najdôležitejší problém pri tomto type operácií, no vedci zatiaľ ani zďaleka nerobia takéto operácie na ľudí. Transplantácia hlavy či mozgu by mohla pomôcť ochrnutým ľuďom, tým, ktorí neovládajú svoje telo, ale otvorená zostáva aj otázka etiky transplantácií hlavy.
Anatolij Buchin
Kde študoval: Fakulta fyziky a mechaniky Polytechnickej univerzity, Ecole Normale Supérieure v Paríži. V súčasnosti postdoktorand na University of Washington.
Čo študuje: výpočtová neuroveda
Špeciálne vlastnosti: hrá na saxofón a flautu, robí jogu, veľa cestuje
Môj záujem o vedu sa objavil v detstve: bol som fascinovaný hmyzom, zbieral som ho, študoval som jeho životný štýl a biológiu. Mama si to všimla a priviedla ma do Laboratória ekológie morského Bentosu (LEMB) (bentos je súbor organizmov žijúcich na zemi a v pôde na dne nádrží. - Poznámka vyd.) v Petrohradskom mestskom paláci tvorivosti mládeže. Každé leto sme od 6. do 11. ročníka chodili na výpravy do Bieleho mora v prírodnej rezervácii Kandalaksha, aby sme pozorovali bezstavovce a merali ich počty. Zároveň som sa zúčastňoval biologických olympiád pre školákov a výsledky svojej práce na expedíciách som prezentoval ako vedecký výskum. Na strednej škole som sa začal zaujímať o programovanie, ale robiť to výlučne nebolo veľmi zaujímavé. Bol som dobrý vo fyzike a rozhodol som sa nájsť si špecializáciu, ktorá by spájala fyziku a biológiu. Tak som skončil na polytechnike.
Prvýkrát som prišiel do Francúzska po ukončení vysokoškolského štúdia, keď som získal štipendium na magisterský program na Univerzite René Descartesa v Paríži. Intenzívne som študoval v laboratóriách a naučil som sa zaznamenávať neurónovú aktivitu v rezoch mozgu a analyzovať reakcie nervových buniek vo zrakovej kôre mačky počas prezentácie vizuálneho stimulu. Po získaní magisterského titulu som sa vrátil do Petrohradu dokončiť štúdium na Polytechnickej univerzite. V poslednom ročníku magisterského štúdia sme so školiteľom pripravili rusko-francúzsky projekt na písanie dizertačnej práce a financie som získal účasťou na súťaži École Normale Supérieure. Posledné štyri roky som pracoval pod dvojitým vedeckým dohľadom – Boris Gutkin v Paríži a Anton Čižov v Petrohrade. Krátko pred dokončením dizertačnej práce som išiel na konferenciu do Chicaga a dozvedel som sa o postdoktorandskej pozícii na Washingtonskej univerzite. Po pohovore som sa rozhodol pracovať tu ďalšie dva alebo tri roky: projekt sa mi páčil a moja nová vedúca Adrienne Fairhall a ja sme mali podobné vedecké záujmy.
O výpočtovej neurovede
Predmetom štúdia výpočtovej neurobiológie je nervový systém, ako aj jeho najzaujímavejšia časť – mozog. Aby sme vysvetlili, čo s tým má spoločné matematické modelovanie, musíme sa trochu porozprávať o histórii tejto mladej vedy. Koncom 80. rokov publikoval časopis Science článok, v ktorom sa prvýkrát začalo hovoriť o výpočtovej neurobiológii, novej interdisciplinárnej oblasti neurovied, ktorá sa zaoberá popisom informácií a dynamických procesov v nervovom systéme.
V mnohých ohľadoch položili základy tejto vedy biofyzik Alan Hodgkin a neurofyziológ Andrew Huxley (brat Aldousa Huxleyho. - Poznámka vyd.). Študovali mechanizmy tvorby a prenosu nervových impulzov v neurónoch, pričom ako modelový organizmus si vybrali chobotnice. V tom čase mali mikroskopy a elektródy ďaleko od moderných a chobotnice mali také hrubé axóny (procesy, ktorými sa šíria nervové impulzy), že boli viditeľné aj voľným okom. To pomohlo axónom chobotníc stať sa užitočným experimentálnym modelom. Objav Hodgkina a Huxleyho spočíval v tom, že pomocou experimentu a matematického modelu vysvetlili, že generovanie nervového impulzu sa uskutočňuje zmenou koncentrácie sodíkových a draselných iónov prechádzajúcich cez membrány neurónov. Následne sa ukázalo, že tento mechanizmus je univerzálny pre neuróny mnohých zvierat, vrátane ľudí. Znie to nezvyčajne, ale štúdiom chobotníc sa vedcom podarilo zistiť, ako neuróny prenášajú informácie u ľudí. Hodgkin a Huxley dostali za svoj objav v roku 1963 Nobelovu cenu.
Úlohou výpočtovej neurobiológie je systematizovať obrovské množstvo biologických údajov o informáciách a dynamických procesoch prebiehajúcich v nervovom systéme. S vývojom nových metód zaznamenávania nervovej aktivity každým dňom narastá množstvo údajov o funkcii mozgu. Objem knihy „Princípy neurálnej vedy“ od nositeľa Nobelovej ceny Erica Kandela, ktorá obsahuje základné informácie o práci mozgu, sa zvyšuje s každým novým vydaním: kniha začínala na 470 stranách a teraz má viac ako 1 700 stránky. Na systematizáciu takého obrovského súboru faktov sú potrebné teórie.
O epilepsii
Približne 1 % svetovej populácie trpí epilepsiou – to je 50 – 60 miliónov ľudí. Jednou z radikálnych liečebných metód je odstránenie oblasti mozgu, kde záchvat vzniká. Ale také jednoduché to nie je. Približne polovica epilepsie u dospelých sa vyskytuje v spánkovom laloku mozgu, ktorý je spojený s hipokampom. Táto štruktúra je zodpovedná za tvorbu nových spomienok. Ak sa človeku vyrežú dva hipokampy na oboch stranách mozgu, stratí schopnosť zapamätať si nové veci. Bude to ako nepretržitý Hromnice, keďže človek si niečo zapamätá len 10 minút. Podstatou môjho výskumu bolo predpovedať menej radikálne, ale iné možné a účinné spôsoby boja proti epilepsii. Vo svojej diplomovej práci som sa snažil pochopiť, ako začína epileptický záchvat.
Aby ste pochopili, čo sa deje s mozgom počas útoku, predstavte si, že ste prišli na koncert a v určitom momente sála explodovala s potleskom. Vy tlieskate vo svojom vlastnom rytme a ľudia okolo vás tlieskajú v inom rytme. Ak dosť ľudí začne tlieskať rovnakým spôsobom, bude pre vás ťažké udržať si rytmus a pravdepodobne skončíte tlieskaním spolu so všetkými ostatnými. Epilepsia funguje podobným spôsobom, keď sa neuróny v mozgu začnú vysoko synchronizovať, to znamená, že súčasne generujú impulzy. Tento proces synchronizácie môže zahŕňať celé oblasti mozgu, vrátane tých, ktoré kontrolujú pohyb, čo spôsobuje záchvat. Hoci väčšina záchvatov je charakterizovaná absenciou záchvatov, pretože epilepsia sa nie vždy vyskytuje v motorických oblastiach.
Povedzme, že dva neuróny sú spojené excitačnými spojeniami v oboch smeroch. Jeden neurón vyšle impulz druhému, ktorý ho vzruší a ten odošle impulz späť. Ak sú excitačné spojenia príliš silné, povedie to k zvýšeniu aktivity v dôsledku výmeny impulzov. Normálne sa to nestane, pretože existujú inhibičné neuróny, ktoré znižujú aktivitu príliš aktívnych buniek. Ale ak inhibícia prestane správne fungovať, môže to viesť k epilepsii. Často je to spôsobené nadmernou akumuláciou chlóru v neurónoch. Vo svojej práci som vyvinul matematický model siete neurónov, ktoré môžu prejsť do epileptického režimu kvôli patológii inhibície spojenej s akumuláciou chlóru vo vnútri neurónov. V tom mi pomohli záznamy aktivity neurónov v ľudskom tkanive získané po operáciách u epileptických pacientov. Skonštruovaný model nám umožňuje testovať hypotézy týkajúce sa mechanizmov epilepsie, aby sme objasnili podrobnosti tejto patológie. Ukázalo sa, že obnovenie rovnováhy chlóru v pyramídových neurónoch môže pomôcť zastaviť epileptický záchvat obnovením rovnováhy excitácie – inhibície v sieti neurónov. Môj druhý supervízor Anton Čižov z Fyzikálno-technického inštitútu v Petrohrade nedávno získal grant od Ruskej vedeckej nadácie na štúdium epilepsie, takže táto línia výskumu bude v Rusku pokračovať.
Dnes existuje veľa zaujímavej práce v oblasti výpočtovej neurovedy. Napríklad vo Švajčiarsku existuje projekt Blue Brain Project, ktorého cieľom je čo najpodrobnejšie popísať malú časť mozgu – somatosenzorickú kôru potkana, ktorá je zodpovedná za vykonávanie pohybov. Dokonca aj v malom mozgu potkana sú miliardy neurónov a všetky sú navzájom prepojené určitým spôsobom. Napríklad v kortexe vytvára jeden pyramídový neurón spojenie s približne 10 000 ďalšími neurónmi. Projekt Blue Brain zaznamenal aktivitu asi 14 000 nervových buniek, charakterizoval ich tvar a zrekonštruoval asi 8 000 000 spojení medzi nimi. Potom pomocou špeciálnych algoritmov spojili neuróny dohromady biologicky hodnoverným spôsobom, aby sa v takejto sieti mohla objaviť aktivita. Model potvrdil teoreticky nájdené princípy kortikálnej organizácie – napríklad rovnováhu medzi excitáciou a inhibíciou. A teraz v Európe existuje veľký projekt s názvom Human Brain Project. Musí popisovať celý ľudský mozog s prihliadnutím na všetky údaje, ktoré sú dnes dostupné. Tento medzinárodný projekt je akýmsi veľkým hadrónovým urýchľovačom z neurovedy, keďže sa na ňom podieľa asi sto laboratórií z viac ako 20 krajín.
Kritici projektov Blue Brain Project a Human Brain Project sa pýtali, aké dôležité je množstvo detailov pri opise fungovania mozgu. Pre porovnanie, aký dôležitý je popis Nevského prospektu v Petrohrade na mape, kde sú viditeľné iba kontinenty? Snaha dať dokopy obrovské množstvo dát je však určite dôležitá. V najhoršom prípade, aj keď úplne nerozumieme fungovaniu mozgu, po zostavení takéhoto modelu ho môžeme použiť v medicíne. Napríklad študovať mechanizmy rôznych chorôb a modelovať pôsobenie nových liekov.
V USA sa môj projekt venuje štúdiu nervového systému Hydry. Napriek tomu, že aj v školských učebniciach biológie je jednou z prvých študovaných, jej nervová sústava je stále slabo pochopená. Hydra je príbuzná medúzy, takže je rovnako priehľadná a má relatívne malý počet neurónov – od 2 do 5 tisíc. Preto je možné súčasne zaznamenávať aktivitu prakticky zo všetkých buniek nervového systému. Na tento účel sa používa nástroj ako „zobrazovanie vápnika“. Faktom je, že zakaždým, keď sa neurón vybije, jeho koncentrácia vápnika vo vnútri bunky sa zmení. Ak pridáme špeciálnu farbu, ktorá začne žiariť, keď sa koncentrácia vápnika zvýši, potom pri každom vygenerovaní nervového impulzu uvidíme charakteristickú žiaru, pomocou ktorej môžeme určiť aktivitu neurónu. To umožňuje zaznamenávať aktivitu u živého zvieraťa počas správania. Analýza takejto aktivity nám umožní pochopiť, ako nervový systém hydry riadi jej pohyb. Analógie získané z takéhoto výskumu sa dajú použiť na opis pohybu zložitejších zvierat, ako sú cicavce. A z dlhodobého hľadiska - v neuroinžinierstve vytvárať nové systémy na kontrolu nervovej činnosti.
O význame neurovedy pre spoločnosť
Prečo je neuroveda taká dôležitá pre modernú spoločnosť? Po prvé, je to príležitosť vyvinúť nové spôsoby liečby neurologických ochorení. Ako môžete nájsť liek, keď nerozumiete, ako to funguje na úrovni celého mozgu? Môj supervízor v Paríži Boris Gutkin, ktorý pôsobí aj na Vysokej škole ekonomickej v Moskve, študuje závislosť od kokaínu a alkoholu. Jeho práca je venovaná popisu tých zmien v posilňovacom systéme, ktoré vedú k závislosti. Po druhé, sú to nové technológie – najmä neuroprotetika. Napríklad človek, ktorý zostal bez ruky, vďaka implantátu implantovanému do mozgu bude môcť ovládať umelé končatiny. Alexey Osadchiy z HSE sa tejto oblasti aktívne venuje v Rusku. Po tretie, z dlhodobého hľadiska ide o vstup do IT, konkrétne technológie strojového učenia. Po štvrté, toto je oblasť vzdelávania. Prečo si napríklad myslíme, že 45 minút je najefektívnejšia dĺžka vyučovacej hodiny v škole? Možno by stálo za to lepšie preskúmať túto otázku pomocou poznatkov z kognitívnej neurovedy. Takto môžeme lepšie pochopiť, ako môžeme efektívnejšie vyučovať na školách a univerzitách a ako si efektívnejšie naplánovať pracovný deň.
O vytváraní sietí vo vede
Vo vede je veľmi dôležitá otázka komunikácie medzi vedcami. Vytváranie sietí si vyžaduje účasť na vedeckých školách a konferenciách, aby bolo možné držať krok so súčasným stavom vecí. Vedecká škola je taká veľká párty: na mesiac sa ocitnete medzi ostatnými doktorandmi a postdoktorandmi. Počas štúdia za vami chodia známi vedci a rozprávajú sa o svojej práci. Zároveň pracujete na individuálnom projekte a dohliada na vás niekto skúsenejší. Rovnako dôležité je udržiavať dobré vzťahy so svojím manažérom. Ak študent magisterského štúdia nemá dobré odporúčacie listy, je nepravdepodobné, že by bol prijatý na stáž. Stáž rozhoduje o tom, či bude prijatý na písanie dizertačnej práce. Z výsledkov dizertačnej práce - ďalší vedecký život. V každej z týchto fáz vždy žiadajú spätnú väzbu od manažéra, a ak niekto nepracoval veľmi dobre, veľmi rýchlo sa to stane známym, takže je dôležité vážiť si svoju reputáciu.
Z hľadiska dlhodobých plánov plánujem urobiť niekoľko postdokov, kým si nájdem stále miesto na univerzite alebo vo výskumnom laboratóriu. Vyžaduje si to dostatočný počet publikácií, ktoré sa v súčasnosti pripravujú. Ak všetko pôjde dobre, rozmýšľam, že sa o pár rokov vrátim do Ruska, aby som tu zorganizoval vlastné laboratórium alebo vedeckú skupinu.
Katedra vyššej nervovej činnosti je jedným z popredných vedeckých a vzdelávacích centier u nás pre štúdium neurobiologických a psychofyziologických základov správania ľudí a zvierat a prípravu vysokokvalifikovaných odborníkov v oblasti neurofyziológie a psychofyziológie.
Katedra je dnes veľkým tímom rovnako zmýšľajúcich ľudí, ktorý pozostáva z viac ako 20 pedagógov a výskumníkov. Na oddelení pracuje 5 lekárov a 10 kandidátov vied, všetci sú absolventmi odboru.
Katedra vykonáva pedagogickú prácu na pregraduálnych vzdelávacích programoch v študijnom odbore 06.03.01 Biológia a magisterské programy v študijnom odbore 06.04.01 Biológia, profil "Fyziológia, biochémia, biofyzika". Pracovníci katedry uskutočňujú základné, výberové a pregraduálne špecializačné kurzy a stáže študentov. Autorské magisterské predmety tematicky súvisia s hlavnými oblasťami vedeckej činnosti katedry. Postgraduálne a doktorandské štúdium katedry zabezpečuje odbornú prípravu v odboroch 19.00.02 Psychofyziológia, 03.03.01 Fyziológia.
Najdôležitejšou zložkou zamestnancov katedry sú študenti bakalárskeho, magisterského a magisterského štúdia. Študenti bakalárskeho a postgraduálneho štúdia sa aktívne zapájajú do rozvoja hlavných výskumných oblastí rozvíjaných na katedre, čím obohacujú svoj odborný potenciál.
Vedecká práca na oddelení sa realizuje v piatich laboratóriách: psychofyziológia, fyziológia senzomotorických systémov, elektroencefalografia, Vedecké centrum pre psychofyziológiu matky a dieťaťa a skupina pre štúdium detskej reči. V centre vedeckej činnosti katedry je problém komplexného štúdia psychofyziologických mechanizmov kognitívnych funkcií a emočných stavov, ktorých rozvoj sa uskutočňuje v týchto hlavných oblastiach:
Štúdium mechanizmov kognitívnych funkcií, predovšetkým pamäte a učenia, pozornosti, rozhodovania. Štúdium mozgových mechanizmov na koordináciu činnosti zmyslových a motorických systémov (senzomotorická koordinácia) ako základ mentálnych funkcií ľudského mozgu.
Štúdium aktivity ľudského mozgu pomocou registrácie mozgových biopotenciálov.
Štúdium raných štádií vývoja kognitívnych funkcií v závislosti od podmienok prenatálneho vývoja.
Štúdium neurobiologických znakov formovania sociálneho správania a vplyvu neurohormónov na správanie zvierat za normálnych podmienok a v strese.
Komplexné štúdium rôznych aspektov vývoja reči dieťaťa od raných štádií ontogenézy a identifikácia úlohy rôznych faktorov pri osvojovaní reči a jazyka.
Úspešný rozvoj vedeckej a pedagogickej činnosti na katedre napomáha úzke prepojenie s mnohými akademickými inštitúciami, vrátane Ústavu ľudského mozgu Ruskej akadémie vied, Fyziologického ústavu pomenovaného po ňom. I.P. Pavlova RAS, Ústav evolučnej biochémie a fyziológie pomenovaný po. I.M.Sechenov RAS, Detská lekárska akadémia, na základe ktorej mnohí študenti vykonávajú svoju kvalifikačnú prácu. Katedra aktívne vedie vedecko-vzdelávaciu spoluprácu s ruskými a zahraničnými univerzitami a výskumnými laboratóriami (Univerzita v Helsinkách, Fínsko; F.C. Donders Center, Holandsko; Univerzita v Gavle, Švédsko; Vysoká škola ekonomická, Moskva).
Anatolij Buchin
Kde študoval: Fakulta fyziky a mechaniky Polytechnickej univerzity, Ecole Normale Supérieure v Paríži. V súčasnosti postdoktorand na University of Washington.
Čo študuje: výpočtová neuroveda
Špeciálne vlastnosti: hrá na saxofón a flautu, robí jogu, veľa cestuje
Môj záujem o vedu sa objavil v detstve: bol som fascinovaný hmyzom, zbieral som ho, študoval som jeho životný štýl a biológiu. Mama si to všimla a priviedla ma do Laboratória ekológie morského Bentosu (LEMB) (bentos je súbor organizmov žijúcich na zemi a v pôde na dne nádrží. - Poznámka vyd.) v Petrohradskom mestskom paláci tvorivosti mládeže. Každé leto sme od 6. do 11. ročníka chodili na výpravy do Bieleho mora v prírodnej rezervácii Kandalaksha, aby sme pozorovali bezstavovce a merali ich počty. Zároveň som sa zúčastňoval biologických olympiád pre školákov a výsledky svojej práce na expedíciách som prezentoval ako vedecký výskum. Na strednej škole som sa začal zaujímať o programovanie, ale robiť to výlučne nebolo veľmi zaujímavé. Bol som dobrý vo fyzike a rozhodol som sa nájsť si špecializáciu, ktorá by spájala fyziku a biológiu. Tak som skončil na polytechnike.
Prvýkrát som prišiel do Francúzska po ukončení vysokoškolského štúdia, keď som získal štipendium na magisterský program na Univerzite René Descartesa v Paríži. Intenzívne som študoval v laboratóriách a naučil som sa zaznamenávať neurónovú aktivitu v rezoch mozgu a analyzovať reakcie nervových buniek vo zrakovej kôre mačky počas prezentácie vizuálneho stimulu. Po získaní magisterského titulu som sa vrátil do Petrohradu dokončiť štúdium na Polytechnickej univerzite. V poslednom ročníku magisterského štúdia sme so školiteľom pripravili rusko-francúzsky projekt na písanie dizertačnej práce a financie som získal účasťou na súťaži École Normale Supérieure. Posledné štyri roky som pracoval pod dvojitým vedeckým dohľadom – Boris Gutkin v Paríži a Anton Čižov v Petrohrade. Krátko pred dokončením dizertačnej práce som išiel na konferenciu do Chicaga a dozvedel som sa o postdoktorandskej pozícii na Washingtonskej univerzite. Po pohovore som sa rozhodol pracovať tu ďalšie dva alebo tri roky: projekt sa mi páčil a moja nová vedúca Adrienne Fairhall a ja sme mali podobné vedecké záujmy.
O výpočtovej neurovede
Predmetom štúdia výpočtovej neurobiológie je nervový systém, ako aj jeho najzaujímavejšia časť – mozog. Aby sme vysvetlili, čo s tým má spoločné matematické modelovanie, musíme sa trochu porozprávať o histórii tejto mladej vedy. Koncom 80. rokov publikoval časopis Science článok, v ktorom sa prvýkrát začalo hovoriť o výpočtovej neurobiológii, novej interdisciplinárnej oblasti neurovied, ktorá sa zaoberá popisom informácií a dynamických procesov v nervovom systéme.
V mnohých ohľadoch položili základy tejto vedy biofyzik Alan Hodgkin a neurofyziológ Andrew Huxley (brat Aldousa Huxleyho. - Poznámka vyd.). Študovali mechanizmy tvorby a prenosu nervových impulzov v neurónoch, pričom ako modelový organizmus si vybrali chobotnice. V tom čase mali mikroskopy a elektródy ďaleko od moderných a chobotnice mali také hrubé axóny (procesy, ktorými sa šíria nervové impulzy), že boli viditeľné aj voľným okom. To pomohlo axónom chobotníc stať sa užitočným experimentálnym modelom. Objav Hodgkina a Huxleyho spočíval v tom, že pomocou experimentu a matematického modelu vysvetlili, že generovanie nervového impulzu sa uskutočňuje zmenou koncentrácie sodíkových a draselných iónov prechádzajúcich cez membrány neurónov. Následne sa ukázalo, že tento mechanizmus je univerzálny pre neuróny mnohých zvierat, vrátane ľudí. Znie to nezvyčajne, ale štúdiom chobotníc sa vedcom podarilo zistiť, ako neuróny prenášajú informácie u ľudí. Hodgkin a Huxley dostali za svoj objav v roku 1963 Nobelovu cenu.
Úlohou výpočtovej neurobiológie je systematizovať obrovské množstvo biologických údajov o informáciách a dynamických procesoch prebiehajúcich v nervovom systéme. S vývojom nových metód zaznamenávania nervovej aktivity každým dňom narastá množstvo údajov o funkcii mozgu. Objem knihy „Princípy neurálnej vedy“ od nositeľa Nobelovej ceny Erica Kandela, ktorá obsahuje základné informácie o práci mozgu, sa zvyšuje s každým novým vydaním: kniha začínala na 470 stranách a teraz má viac ako 1 700 stránky. Na systematizáciu takého obrovského súboru faktov sú potrebné teórie.
O epilepsii
Približne 1 % svetovej populácie trpí epilepsiou – to je 50 – 60 miliónov ľudí. Jednou z radikálnych liečebných metód je odstránenie oblasti mozgu, kde záchvat vzniká. Ale také jednoduché to nie je. Približne polovica epilepsie u dospelých sa vyskytuje v spánkovom laloku mozgu, ktorý je spojený s hipokampom. Táto štruktúra je zodpovedná za tvorbu nových spomienok. Ak sa človeku vyrežú dva hipokampy na oboch stranách mozgu, stratí schopnosť zapamätať si nové veci. Bude to ako nepretržitý Hromnice, keďže človek si niečo zapamätá len 10 minút. Podstatou môjho výskumu bolo predpovedať menej radikálne, ale iné možné a účinné spôsoby boja proti epilepsii. Vo svojej diplomovej práci som sa snažil pochopiť, ako začína epileptický záchvat.
Aby ste pochopili, čo sa deje s mozgom počas útoku, predstavte si, že ste prišli na koncert a v určitom momente sála explodovala s potleskom. Vy tlieskate vo svojom vlastnom rytme a ľudia okolo vás tlieskajú v inom rytme. Ak dosť ľudí začne tlieskať rovnakým spôsobom, bude pre vás ťažké udržať si rytmus a pravdepodobne skončíte tlieskaním spolu so všetkými ostatnými. Epilepsia funguje podobným spôsobom, keď sa neuróny v mozgu začnú vysoko synchronizovať, to znamená, že súčasne generujú impulzy. Tento proces synchronizácie môže zahŕňať celé oblasti mozgu, vrátane tých, ktoré kontrolujú pohyb, čo spôsobuje záchvat. Hoci väčšina záchvatov je charakterizovaná absenciou záchvatov, pretože epilepsia sa nie vždy vyskytuje v motorických oblastiach.
Povedzme, že dva neuróny sú spojené excitačnými spojeniami v oboch smeroch. Jeden neurón vyšle impulz druhému, ktorý ho vzruší a ten odošle impulz späť. Ak sú excitačné spojenia príliš silné, povedie to k zvýšeniu aktivity v dôsledku výmeny impulzov. Normálne sa to nestane, pretože existujú inhibičné neuróny, ktoré znižujú aktivitu príliš aktívnych buniek. Ale ak inhibícia prestane správne fungovať, môže to viesť k epilepsii. Často je to spôsobené nadmernou akumuláciou chlóru v neurónoch. Vo svojej práci som vyvinul matematický model siete neurónov, ktoré môžu prejsť do epileptického režimu kvôli patológii inhibície spojenej s akumuláciou chlóru vo vnútri neurónov. V tom mi pomohli záznamy aktivity neurónov v ľudskom tkanive získané po operáciách u epileptických pacientov. Skonštruovaný model nám umožňuje testovať hypotézy týkajúce sa mechanizmov epilepsie, aby sme objasnili podrobnosti tejto patológie. Ukázalo sa, že obnovenie rovnováhy chlóru v pyramídových neurónoch môže pomôcť zastaviť epileptický záchvat obnovením rovnováhy excitácie – inhibície v sieti neurónov. Môj druhý supervízor Anton Čižov z Fyzikálno-technického inštitútu v Petrohrade nedávno získal grant od Ruskej vedeckej nadácie na štúdium epilepsie, takže táto línia výskumu bude v Rusku pokračovať.
Dnes existuje veľa zaujímavej práce v oblasti výpočtovej neurovedy. Napríklad vo Švajčiarsku existuje projekt Blue Brain Project, ktorého cieľom je čo najpodrobnejšie popísať malú časť mozgu – somatosenzorickú kôru potkana, ktorá je zodpovedná za vykonávanie pohybov. Dokonca aj v malom mozgu potkana sú miliardy neurónov a všetky sú navzájom prepojené určitým spôsobom. Napríklad v kortexe vytvára jeden pyramídový neurón spojenie s približne 10 000 ďalšími neurónmi. Projekt Blue Brain zaznamenal aktivitu asi 14 000 nervových buniek, charakterizoval ich tvar a zrekonštruoval asi 8 000 000 spojení medzi nimi. Potom pomocou špeciálnych algoritmov spojili neuróny dohromady biologicky hodnoverným spôsobom, aby sa v takejto sieti mohla objaviť aktivita. Model potvrdil teoreticky nájdené princípy kortikálnej organizácie – napríklad rovnováhu medzi excitáciou a inhibíciou. A teraz v Európe existuje veľký projekt s názvom Human Brain Project. Musí popisovať celý ľudský mozog s prihliadnutím na všetky údaje, ktoré sú dnes dostupné. Tento medzinárodný projekt je akýmsi veľkým hadrónovým urýchľovačom z neurovedy, keďže sa na ňom podieľa asi sto laboratórií z viac ako 20 krajín.
Kritici projektov Blue Brain Project a Human Brain Project sa pýtali, aké dôležité je množstvo detailov pri opise fungovania mozgu. Pre porovnanie, aký dôležitý je popis Nevského prospektu v Petrohrade na mape, kde sú viditeľné iba kontinenty? Snaha dať dokopy obrovské množstvo dát je však určite dôležitá. V najhoršom prípade, aj keď úplne nerozumieme fungovaniu mozgu, po zostavení takéhoto modelu ho môžeme použiť v medicíne. Napríklad študovať mechanizmy rôznych chorôb a modelovať pôsobenie nových liekov.
V USA sa môj projekt venuje štúdiu nervového systému Hydry. Napriek tomu, že aj v školských učebniciach biológie je jednou z prvých študovaných, jej nervová sústava je stále slabo pochopená. Hydra je príbuzná medúzy, takže je rovnako priehľadná a má relatívne malý počet neurónov – od 2 do 5 tisíc. Preto je možné súčasne zaznamenávať aktivitu prakticky zo všetkých buniek nervového systému. Na tento účel sa používa nástroj ako „zobrazovanie vápnika“. Faktom je, že zakaždým, keď sa neurón vybije, jeho koncentrácia vápnika vo vnútri bunky sa zmení. Ak pridáme špeciálnu farbu, ktorá začne žiariť, keď sa koncentrácia vápnika zvýši, potom pri každom vygenerovaní nervového impulzu uvidíme charakteristickú žiaru, pomocou ktorej môžeme určiť aktivitu neurónu. To umožňuje zaznamenávať aktivitu u živého zvieraťa počas správania. Analýza takejto aktivity nám umožní pochopiť, ako nervový systém hydry riadi jej pohyb. Analógie získané z takéhoto výskumu sa dajú použiť na opis pohybu zložitejších zvierat, ako sú cicavce. A z dlhodobého hľadiska - v neuroinžinierstve vytvárať nové systémy na kontrolu nervovej činnosti.
O význame neurovedy pre spoločnosť
Prečo je neuroveda taká dôležitá pre modernú spoločnosť? Po prvé, je to príležitosť vyvinúť nové spôsoby liečby neurologických ochorení. Ako môžete nájsť liek, keď nerozumiete, ako to funguje na úrovni celého mozgu? Môj supervízor v Paríži Boris Gutkin, ktorý pôsobí aj na Vysokej škole ekonomickej v Moskve, študuje závislosť od kokaínu a alkoholu. Jeho práca je venovaná popisu tých zmien v posilňovacom systéme, ktoré vedú k závislosti. Po druhé, sú to nové technológie – najmä neuroprotetika. Napríklad človek, ktorý zostal bez ruky, vďaka implantátu implantovanému do mozgu bude môcť ovládať umelé končatiny. Alexey Osadchiy z HSE sa tejto oblasti aktívne venuje v Rusku. Po tretie, z dlhodobého hľadiska ide o vstup do IT, konkrétne technológie strojového učenia. Po štvrté, toto je oblasť vzdelávania. Prečo si napríklad myslíme, že 45 minút je najefektívnejšia dĺžka vyučovacej hodiny v škole? Možno by stálo za to lepšie preskúmať túto otázku pomocou poznatkov z kognitívnej neurovedy. Takto môžeme lepšie pochopiť, ako môžeme efektívnejšie vyučovať na školách a univerzitách a ako si efektívnejšie naplánovať pracovný deň.
O vytváraní sietí vo vede
Vo vede je veľmi dôležitá otázka komunikácie medzi vedcami. Vytváranie sietí si vyžaduje účasť na vedeckých školách a konferenciách, aby bolo možné držať krok so súčasným stavom vecí. Vedecká škola je taká veľká párty: na mesiac sa ocitnete medzi ostatnými doktorandmi a postdoktorandmi. Počas štúdia za vami chodia známi vedci a rozprávajú sa o svojej práci. Zároveň pracujete na individuálnom projekte a dohliada na vás niekto skúsenejší. Rovnako dôležité je udržiavať dobré vzťahy so svojím manažérom. Ak študent magisterského štúdia nemá dobré odporúčacie listy, je nepravdepodobné, že by bol prijatý na stáž. Stáž rozhoduje o tom, či bude prijatý na písanie dizertačnej práce. Z výsledkov dizertačnej práce - ďalší vedecký život. V každej z týchto fáz vždy žiadajú spätnú väzbu od manažéra, a ak niekto nepracoval veľmi dobre, veľmi rýchlo sa to stane známym, takže je dôležité vážiť si svoju reputáciu.
Z hľadiska dlhodobých plánov plánujem urobiť niekoľko postdokov, kým si nájdem stále miesto na univerzite alebo vo výskumnom laboratóriu. Vyžaduje si to dostatočný počet publikácií, ktoré sa v súčasnosti pripravujú. Ak všetko pôjde dobre, rozmýšľam, že sa o pár rokov vrátim do Ruska, aby som tu zorganizoval vlastné laboratórium alebo vedeckú skupinu.
