Особенности человеческого мозга.

[АrefievPV]

В мозге нашли «включатель» сознания
https://nplus1.ru/news/2020/12/30/turn-it-on
Финские, американские и шведские исследователи выявили мозговые отделы, с высокой вероятностью отвечающие за нахождение человека в сознании или без сознания. Ими оказались некоторые ключевые структуры мозга, активность которых, как выяснилось, играет фундаментальную роль в регуляции сознания вне зависимости от методов воздействия на него. Результаты работы опубликованы в Journal of Neuroscience.

Сопоставляя все полученные данные, исследователи выявили отделы мозга, активность которых была четко связана с сознанием вне зависимости от типа и дозы препарата для наркоза, фазы сна и «направления» изменения состояния (от бессознательного к сознательному или наоборот). Ими оказались взаимосвязанные мозговые структуры — таламус, поясная кора и угловые извилины, отвечающие за некоторые когнитивные и другие функции.

Перечисленные структуры не следует путать с отделами мозга, отвечающими за «содержание» сознания. Относительно последнего существует несколько конкурирующих теорий, связывающих его с определенными зонами коры. Так, в модели глобального рабочего пространства (Neural Global Workspace) это «дальнобойные» любно-теменные связи, в теории возвратной обработки информации (Recurrent Processing) — локальная повторяющаяся активность в вентральной затылочно-височной коре, в модели задней горячей зоны (Posterior Hot Zone) — теменные, затылочные и височные области задней части коры.

[АrefievPV]

В ходе эволюции мозжечок развивался путем удвоения базовых модулей
https://elementy.ru/novosti_nauki/433750/V_khode_evolyutsii_mozzhechok_razvivalsya_putem_udvoeniya_bazovykh_moduley
Мозжечок — часть головного мозга позвоночных животных, занимающая всего 10% его объема, но при этом содержащая половину всех его нейронов. Так что мозжечок представляет очевидный интерес для нейробиологов, хотя информации о его структуре, функциях и эволюции на удивление мало. Этот пробел был в некоторой степени восполнен новым исследованием, выполненным командой из Стэнфордского университета. Разобравшись в экспрессии генов отдельных нейронов мозжечка, они выявили структурно-функциональную единицу его строения — унифицированный модуль. Этот модуль снабжен стандартным набором из трех классов тормозящих нейронов и двух классов возбуждающих нейронов. Эволюция мозжечка шла, по-видимому, за счет удвоения таких модулей и дальнейшей их специализации. У человека один из модулей — зубчатое ядро — оказался весьма специализированным, утратив один из классов возбуждающих нейронов за счет увеличения числа нейронов другого класса.

Рис. 1. Схема строения мозжечка человека. В исследованиях эволюции и роли мозжечка в когнитивных функциях в первую очередь обращают внимание на его кору. Согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Science, стоит получше присмотреться к ядрам мозжечка — парным образованиям из серого вещества, расположенным в его центральной области. Они, как выясняется, не менее важны для понимания функционирования и эволюции этой части мозга. Цифрами помечены ядра мозжечка: 1 — зубчатое ядро, 2 — пробковидное ядро, 3 — ядро шатра, 4 — шаровидное ядро (у плацентарных млекопитающих пробковидное и шаровидное ядра объединены в так называемое промежуточное или слитое ядро, так что обычно говорят не о четырех, а о трех ядрах у млекопитающих). Рисунок с сайта vmede.org

Рис. 4. Модель эволюции ядер мозжечка. Квадратиками обозначены структурно-функциональные модули строения ядра с нейронами пяти классов — трех тормозящих (i1, i2, i3) и двух возбуждающих (A, B). Цветными стрелками изображены проекции возбуждающих нейронов в другие зоны мозга. В ходе эволюции модуль удвоился, возбуждающие нейроны специализировались, их проекции находятся рядом, но несколько сдвинуты относительно друг друга. На следующем этапе происходило расширение одного из модулей, при этом утратились возбуждающие нейроны одного класса, по-видимому, в силу необходимости усиленной работы нейронов другого класса. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Рис. 5. Зоны мозга, в которые идут проекции из зубчатого ядра мозжечка. Рисунок из популярного синопсиса к обсуждаемой статье в Science

Отсюда следует два вывода.

Первый: эволюционирующей единицей мозжечка является подразделение ядра, имеющее унифицированный набор исходящих нейронов — ингибиторные, принадлежащие к трем классам, и возбуждающие, принадлежащие к двум классам.

Второй вывод касается эволюции мозжечка: она шла за счет удвоения базовой единицы и ее дальнейшей специализации.

И наконец, в человеческой линии эволюции мозга наибольшее развитие получило одно из ядер мозжечка, зубчатое, и только один из классов возбуждающих нейронов, класс B. Это пример резкой специализации функций мозжечка. А обсуждаемое исследование сильно меняет наши представления о мозжечке и его эволюции.

[АrefievPV]

Не новость, но любопытный факт...

Человек без зрительной коры способен связать звук и зрительный стимул
https://elementy.ru/novosti_nauki/432659/Chelovek_bez_zritelnoy_kory_sposoben_svyazat_zvuk_i_zritelnyy_stimul

P.S. Продублирую в тему "Психика и мозг".

[АrefievPV]

Чужое мнение оставляет след в нашем мозге
https://www.nkj.ru/news/40727/

Мозг запоминает несовпадение нашего мнения с мнением других людей, чтобы в следующий раз скорректировать его в соответствие с мнением группы.

Когда мы слышим, что наше мнение совпадает с мнением важного для нас человека, когда мы и он выбираем одно, нам становится приятно. И если при этом заглянуть в наш мозг, то можно увидеть, как в нём активируются центры удовольствия, влияющие на мотивацию, обучение и множество других функций. Удовольствие, которые мы испытываем, в данном случае мотивирует на определённые социальные действия. Если же вдруг мы обнаружим, что наше мнение не совпадает с мнением того, кто нам важен, мы чувствуем неудобство, психологический дискомфорт, и в мозге возникают сигналы ошибки, побуждающие нас всё-таки согласовать свою позицию с позицией другого человека.

Об этих вещах нейробиологи знают давно. Но обычно реакцию мозга на совпадение или несовпадение мнений наблюдают именно в момент совпадения/несовпадения. Другой вопрос, надолго ли остаются в мозге какие-то следы после того, как мы обнаружили, что думаем не так, как все.

Сотрудники Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» (НИУ ВШЭ) пишут в Scientific Reports, что такие следы остаются. В эксперименте участвовали 20 женщин, которым показывали серию фото незнакомых людей. Нужно было решить, насколько ты доверяешь тому или другому незнакомцу, решить просто по его внешности. Потом про каждого из незнакомцев говорили, что про него думают другие. Иногда мнение группы совпадало с мнением участницы эксперимента, иногда нет. И через полчаса снова нужно были оценить, как ты относишься к тем же незнакомым персонам, которых ты уже видел на фото.

Как можно было ожидать, когда мнение человека не совпадало с мнением группы таких же, как он (точнее, как она), то во второй раз мнение менялось – не всегда, но в половине случаев. Но авторов работы больше интересовало, что при этом происходит в мозге. За мозгом наблюдали с помощью магнитоэнцефалографии (МЭГ). В отличие от более привычной магнитно-резонансной томографии, у неё большее временное разрешение, то есть МЭГ позволяет различить изменения в активности мозга, происходящие быстро друг за другом.

Оказалось, что когда имеет место расхождение во мнении, мозг это запоминает. Когда ситуация повторяется (когда снова показывают фото человека, относительно которого ты и группа не сошлись в суждениях), то через долю секунды в мозге проскакивает специальный сигнал, который указывает, что тут у нас в прошлый раз было несогласие с другими. Сигнал служит предупреждением о возможном социальном конфликте, так что у мозга есть шанс скорректировать поведение – то есть привести своё мнение в согласие с мнением группы. Этот сигнал формируется верхней теменной корой, которая считается одной из зон мозга, помогающих вспомнить какие-то вещи из прошлого.

Иными словами, чужое мнение влияет на мозг не только в тот момент, когда мы его слышим, но и спустя какое-то время. В результаты мы не просто подлаживаем собственное мнение под мнение других, но и начинаем воспринимать окружающий мир их глазами. (Напомним, что в эксперименте, когда нужно было оценить человека во второй раз, никого рядом не было, только в мозге оставалась память о том, что полчаса назад нам сообщили мнение других людей.)

Возможно, это не очень утешительные результаты, если рассматривать самостоятельность мышления как высшую ценность. С другой стороны, такая пластичность мозга помогает избежать социальных конфликтов. Наконец, не стоит забывать, что групп людей на свете много, и у нас есть определённая свобода в том, чьё мнения считать значимым для себя.

[АrefievPV]

Как мозг соединяет две звуковые дорожки в одну
https://www.nkj.ru/news/40728/

Гамма-ритмы помогают мозгу синхронизировать информацию от левого и правого уха.

До левого и правого уха звуки редко доходят одновременно. Тем не менее, звуки у нас в ушах не двоятся, то есть у нас не бывает так, что мы сначала услышали звук левым ухом, а потом правым. И хотя звуковая информация от каждого уха приходит в оба полушария, но от левого уха она быстрее приходит в правое полушарие, а от правого – в левое. Плюс оба полушария заняты немного разными процессами: если взять речь, то левое полушарие различает в речи слоги и отдельные фонемы, тогда как правое анализирует ритм, высоту звуков, их громкость, придыхания и прочее, что относится к речевой просодии.

В общем, всё говорит о том, что левым и правым ухом мы должны слышать по-разному, но на самом деле ничего такого не происходит. Мы, конечно, всегда можем сказать, откуда донесся звук, слева, справа, спереди и т. д. – именно благодаря тому, что уха у нас два, мы можем легко определить источник звуков. Однако, повторим ещё раз, никакого двойного звучания у нас в голове не раздаётся, и не бывает так, что левым ухом мы слышим слоги, а правым – высоту голоса того, кто говорит. Очевидно, что мозг умеет соединять звуковые дорожки, приходящие к нему от двух «микрофонов»-ушей – соединять так, что вся звуковая информация воспринимается единым блоком.

Сотрудники Цюрихского университета выяснили, что огромную роль в этом играют гамма-волны. В эксперименте участвовали 28 человек, которые правым ухом слышали невнятный слог, который можно было услышать так или иначе – например, они слышали нечто среднее между «га» и «да». Одновременно в левое ухо им посылали звук с «г» или «д». Звук в левом ухе сознание не замечало, но мозг всё равно получал информацию, и в зависимости от того, что звучало в левом ухе, неопределённый слог в правом ухе оказывался «га» или «да». Мозг соединял два сигнала и делал общий вывод, что же всё-таки он услышал.

На следующем этапе эксперимент повторили, только с помощью прикреплённых к голове электродов в мозге подавляли гамма-ритмы. И тут оказалось, что с подавленными гамма-ритмами мозг не может согласовать звуки слева и справа. Человек уже не мог твёрдо определить, что именно он слышит: неопределённый звук в правом ухе оставался неопределённым, потому что информация из левого уха никак не помогала. В статье в PNAS авторы делают вывод, что гамма-волны помогают полушариям синхронизироваться в обработке звуковой информации. Когда гамма-ритм подавляли, полушария начинали работать несинхронно, что было видно с помощью магнитно-резонансной томографии.

Возможно, эти сведения не только помогут лучше понять фундаментальные основы восприятия звука, но и пригодятся в медицине: не исключено, что от некоторых психоневрологических симптомов, вроде звона в ушах или слуховых галлюцинаций, можно будет избавиться, простимулировав гамма-ритмы мозга.

[АrefievPV]

Исследователи пообщались со спящими людьми, вторгаясь в их сны
https://www.popmech.ru/science/news-674233-issledovateli-poobshchalis-so-spyashchimi-lyudmi-vtorgayas-v-ih-sny/?from=main_3
Исследователи смогли успешно «поговорить» со спящим человеком в режиме реального времени, вторгаясь в его сны. Работает это только в редком состоянии осознанного сна.

[АrefievPV]

Мозг современного человека увидел в рисунках палеолита объекты
https://nplus1.ru/news/2019/07/04/engravings-through-visual

Французские ученые выяснили, что при визуальной обработке петроглифов, относящихся к эпохе палеолита, в зрительной коре головного мозга современного человека активируются те же области, которые отвечают за обработку объектов: сама активность проходит по вентральному пути. Полученные данные могут служить доказательством использования древних рисунков в качестве знаковых систем для передачи информации, пишут ученые в Royal Society Open Science.

Дополню немного.

Первые известные современному человечеству подобия петроглифов датируются более полумиллионом лет тому назад: в 2015 году ученым удалось показать, что представители Homo erectus на территории современного острова Ява в Индонезии для производства орудий и гравировки пользовались ракушками. Первые наскальные рисунки, для которых использовалось подобие краски, датируются намного позже — по последним данным, 73 тысячами лет назад. Несмотря на то, что и те, и другие виды артефактов считаются ранним примером использования знаковых систем (которые потом эволюционируют в языки), до сих пор не решен вопрос того, в какой период человеческой эволюции подобные петроглифы перестали иметь индивидуальный смысл, понятный только тому, кто их наносит, и превратились в систему символ-смысл, способную переносить информацию и до других.

Один из способов изучить возможную символьную репрезентацию гравировок древних людей — проследить за тем, как они обрабатываются зрительной корой современного человека.

Проанализировав данные, ученые выяснили, что обработка древних петроглифов зрительной корой головного мозга напоминает обработку предметов: проходит по вентральному пути обработки зрительного стимула и заканчивается в нижней височной доле, активируя те же самые области веретенообразной извилины (те, которые отвечают за восприятие границ, формы предмета и другие).

Примеры активации некоторых частей зрительной коры в зависимости от стимула. Красным на графиках обозначены гравировки, синим — предметы.

Несмотря на то, что анализ мозга современного человека при обработке древних петроглифов имеет некоторые ограничения, ученые показали, что древние петроглифы в действительности могли иметь некоторое подобие символьной репрезентации и переносили определенный смысл. Сделать точные выводы, разумеется, нельзя, но в пользу выводов ученых может говорить, к примеру, то, что веретенообразная извилина — это часть зрительной системы мозга исключительно гоминидов, что позволяет вынести предположение, что и у древних представителей рода Homo она активировалась схожим образом.

Что касается веретенообразной извилины, то два года назад ученые, простимулировав эту область в мозге пациента с эпилепсией, показали, что некоторые ее части отвечают только за обработку определенного вида стимула: например, цвета или лиц.

P.S. Ссылка:
Стимуляция мозга заставила пациента с эпилепсией видеть лица и радугу
https://nplus1.ru/news/2017/11/01/facephenes-and-rainbows

[Evol]

до сих пор не решен вопрос того, в какой период человеческой эволюции подобные петроглифы перестали иметь индивидуальный смысл, понятный только тому, кто их наносит, и превратились в систему символ-смысл, способную переносить информацию и до других.

Около 45 тыс. лет назад, в эпоху расширения разнообразия палеолитических культур - как Вы, лично, полагаете, уважаемый АrefievPV, это подходящее время?

[АrefievPV]

Нейронауки в Science и Nature. Выпуск 194: самостоятельные дендриты
http://neuronovosti.ru/naturesci194-dentrites-live/

Как-то мы писали, как новые методы детекции электрической активности нейронов позволило расширить функции мозжечка.  В исследовании 2017 года новые методы используются шире – чтобы пересмотреть в целом в какой части нейрона возникает (или не возникает) возбуждение.



Нейроны – клетки, очень растянутые в пространстве. Они состоят из тела нейрона и его отростков – дендритов (которые передают возбуждения к телу нейрона) и аксонов (передают электрический потенциал от тела нейрона). Дендриты могут тянутся на расстояние до 1000 микрон, тогда как само тело нейрона очень небольшое – около 10 микрон. Классическая теория возбуждения нейрона предполагает, что дендриты – это довольно пассивные участники в передачи электрического сигнала. Они служат связующим звеном между нейронами и передают информацию от синапса к телу нейрона, который в свою очередь интегрирует информацию полученную и от других дендритов и решает, что передавать по аксону к следующему синапсу.

Эта теория строится на изучении поведении дендритов нейронов в «пробирке» – нейронов, выращенных на культуральных планшетах. При таких исследованиях обычно в сам дендрит вставляется электрод, что позволяет измерить изменения потенциала. Что происходит с дендритами в живом организме проверить с помощью этого метода невозможно – животное будет двигаться, электрод сместится, а это приведет к повреждению и отмиранию дендрита.

В нынешнем исследовании ученые использовали тетрод, специальный вид электродов, который измеряет изменение напряжения на расстоянии, без проникновения в дендрит. Естественно, если разместить этот тетрод у головы животного, то измерение активности отдельных нейронов, не говоря уже о дендритах, получить не получится. Необходимо с ювелирной точностью внедрить тетрод к отдельных дендритам хирургическим путем. При этом действовать надо быстро – тетроды вызывают иммунную реакцию, и соответственно быстро обволакиваются глией, делая измерения невозможными.

Всё же, героическими усилиями группа из Университета Калифорнии Лос-Анджелес смогла получить измерения поведения отдельных дендритов у мышей на протяжении четырех дней. Удивительным образом они зафиксировали, что дендриты возбуждались чаще, чем тела нейронов, с которыми они связывались: частота возбуждения дендритов была в 5 раз выше во сне и в 10 раз выше при бодрствовании чем частота возбуждения тел нейронов. Логичное объяснение этому – это то, что дендриты не пассивны, а могут сами генерировать возбуждение.

Этот вывод приглашает как к глобальному пересмотру учебников нейробиологии, так и повсеместному пересчету многих данных о функционировании нейронов – очевидно, в формулах нужно ввести новую переменную: самостоятельное возбуждение дендритов.

P.S. Ссылка с дополнительной информацией:

Нейронауки для всех: клетки нервной системы
http://neuronovosti.ru/neuro-dlya-chaynikov-cells/

[АrefievPV]

Мозг во время сна: активность выше, сознание ниже
http://neuronovosti.ru/mozg-vo-vremya-sna-aktivnost-vyshe-soznanie-nizhe/

Швейцарские исследователи установили, что перед стадией глубокого сна активность между различными функциональными сетями мозга увеличивается, однако это не приводит к эффективной коммуникации.

Именно этот факт, по всей видимости, обуславливает нарушение сознания и неспособность адекватного усвоения информации. Наблюдения за спящим мозгом, опубликованные в журнале iScience, могут помочь ученым чуть лучше понять нейрональные основы сознания.

Сон по-прежнему остается одной из самых неизученных нейрофизиологических функций, и очередной пробел здесь попытались восполнить исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны. Используя функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ) и электроэнцефалографию (ЭЭГ), они пронаблюдали за активностью спящего мозга и обнаружили весьма любопытный феномен.

Сон на основе ЭЭГ-активности мозга принято разделять глобально на медленный и быстрый и более частно – на пять стадий, где четыре условно имеют отношение к медленному сну (от первой поверхностной до четвертой глубокой), а пятая сама по себе является быстрым сном. Активность мозга при быстром сне напоминает бодрствование, но при этом мышцы максимально расслаблены, активны лишь мышцы глазных яблок, поэтому эту стадию еще называют сном с быстрым движением глаз. При медленном же сне активность мозга постепенно снижается, достигая минимума при третьей-четвертой стадии, но в это время нейронные сети максимально синхронизируются – наблюдается медленноволновая дельта-активность.

Так вот, чтобы понять, как «ведут» себя функциональные сети мозга, как они взаимодействуют между собой в процессе перехода от бодрствования ко сну, ученые использовали относительно новый подход – паттерны коактивации, основанные на инновациях (innovation-driven co-activation patterns, iCAPS). Суть этого подхода в том, что фиксируется временнАя активность мозга, то есть физиологически значимые моменты региональной активации и деактивации, а не фактическое время активности каждой сети. Это позволило исследователям восстановить те сети покоя мозга, которые перекрываются во время сна и бодрствования как во времени, так и в пространстве, обеспечивая более правдоподобное и, следовательно, предположительно более точное описание «сонной» функциональной организации мозга.

Как выяснилось при одновременных фМРТ и ЭЭГ-наблюдениях, во второй стадии сна интеграция всех функциональных сетей мозга, вопреки ожиданиям, нарастала. То есть, между ними увеличивалось количество «запросов» и попыток связи. Но при этом эффективность обработки сигналов снижалась, и постепенно глобальная активность мозга и функциональная связность между его отделами падала к третьей и четвертой фазам сна, приводя к полной потере сознания.

Исследователи отметили, что нестабильность функциональной синхронизации сетей, отвечающих за когнитивные процессы и, условно, сознание, начинается уже во второй фазе, но при этом активность между сетями повышается, как бы пытаясь это компенсировать. Но чем глубже мозг погружается в сон, тем больше нарушается взаимодействие между сетями мозга.

Ученые надеются, что разобравшись в том, что происходит с мозгом во сне, они смогут приблизиться к пониманию устройства сознания, и что-то осознанно предпринимать во время его нарушений.

[АrefievPV]

Нейронауки в Science и Nature. Выпуск 36: снова гены и аутизм
http://neuronovosti.ru/genoautism/

Появилось разъяснение того, какие генетические механизмы ответственны за слабую социализацию аутистов в обществе. Исследователи из медицинского центра дьякониссы Бет Израэль (BIDMC) определили, какой именно ген из какой специфической популяции клеток мозга связан с одной из общих форм расстройств аутистического спектра. Исследование, опубликованное в журнале Nature, раскрывает нейробиологические основы общительности и может стать первым шагом в сторону создания генной терапии для пациентов с аутизмом.

Мэттью Андерсон (Matthew P. Anderson), возглавляющий отделение нейропатологии в BIDMC, и его коллеги сосредоточились на гене UBE3A (кодирует фермент убикветин-лигазу, отвечающую за удаление ненужных белков), увеличение копий которого вызывает одну из форм аутизма у человека (он находится в хромосоме 15q). А вот отсутствие этого гена, наоборот, приводит к синдрому Ангельмана – генетическому заболеванию, которое проявляется излишней общительностью, склонностью к эпилептическим припадкам, задержке умственного развития и специфическому расстройству движений, которые становятся похожими на движения марионетки. В своей предыдущей работе команда Андерсона продемонстрировала, что у мышей с лишними копиями гена UBE3A нарушается всяческое взаимодействие со своими сородичами.

«В этом исследовании мы хотели определить, «кто виноват» в дефиците социального поведения и как в этом замешан UBE3A. Мы сами смоделировали эксперимент и не только внедрили ген в конкретные области мозга мыши, но и даже смогли направить его в специфические типы клеток, чтобы проверить, какие из них, главным образом, регулируют общительность», — говорит Андерсон.

Когда учёные сравнили обычных животных и мышей с моделированным аутизмом, то заметили, что многочисленные копии гена UBE3A вступали во взаимодействие с почти 600 другими генами. Проанализировав и сравнив получающиеся белковые взаимодействия, учёные пришли к выводу, что «усиление» UBE3A приводит к снижению активности генов церебеллина.

Это семейство генов кодирует глутаматергические синапсы, с помощью которых нейроны взаимодействуют друг с другом, используя нейромедиатор глутамат. Исследователи обратили большее внимание на церебеллин 1 (CBLN1) – потенциальный «посредник» эффектов UBE3A, потому что как только он из клеток удалялся, проявлялась клиническая картина, характерная для аутизма. В повторных сериях экспериментов связь между двумя генами обозначилась ещё более явно.

Помимо всего прочего, учёные занялись и картированием мозга, чтобы определить, где происходят столь важные для психического здоровья генные взаимодействия.

«То, что мы обнаружили, стало для нас удивлением. Большинство учёных бы подумали, что всё дело в коре – зоне мозга, где обрабатываются сенсорная и моторная информация. Но, как ни странно, эти взаимодействия происходят в стволе мозга, там, где находится система вознаграждения», — объясняет Андерсон.

Чтобы это подтвердить, учёные использовали генетические модифицированные модели мышей и хемогенетику – метод, когда в клетку встраиваются рецепторы, которыми можно управлять с помощью специально вводимых нейромедиаторов и, тем самым, находить их местоположение. Оказалось, что большинство клеток «скрывается» в вентральной тегментарной области (ВТО) – части среднего мозга, которая играет важную роль в системе вознаграждения и формировании зависимости.

«Нам удалось заставить мышей перестать общаться через подавление определённых нейронов, и мы могли бы реально повысить и продлить коммуникабельность, возвращая их обратно «к жизни». Теперь у нас есть «тумблер» для контроля общительности. Когда-нибудь это станет тем лечением, которое поможет нашим пациентам чувствовать себя в любом обществе комфортно», — говорят учёные.

P.S. Полагаю, что по поводу «тумблера» – это они слишком оптимистично выразились.

[АrefievPV]

У новорожденных нашли примитивное осознание границ собственного тела
https://nplus1.ru/news/2021/03/09/infant-body-boundaries

Уже через пару дней после рождения мозг младенцев реагирует на совместную тактильную и слуховую стимуляцию точно так же, как мозг взрослого человека. Это выяснили итальянские ученые, которые измеряли амплитуду вызванных потенциалов на ЭЭГ в ответ на слабые удары током и короткий звуковой сигнал — вместе или отдельно — у новорожденных и взрослых. Кроме того, амплитуда вызванного потенциала мозга младенцев в ответ на удар током совместно со звуком, проигранным рядом, была выше, чем в случае, если звук проигрывали вдалеке: это говорит о том, что мультимодальная система понимания границ своего тела в пространстве доступна ребенку уже сразу после рождения, пишут ученые в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

За восприятие тела и его частей в пространстве и относительно друг друга отвечает отдельная сенсорная система — проприоцептивная. В эту систему входят, например, мышцы, информация о положении и состоянии которых по периферическим нейронам отправляется к центральной нервной системе, где и формируется целостная картина состояния и положения тела. Проприоцепцией восприятие тела в пространстве, однако, не ограничивается, и в разной степени в общую картинку вносят свой вклад осязание, зрение, слух и даже обоняние — поэтому такое восприятие в рамках сенсорных систем можно назвать мультимодальным.

Мультимодальность, с одной стороны, указывает на важность понимания границ собственного тела для жизни; с другой стороны, она также говорит и о ее сложности: во многом поэтому до сих пор непонятно, в какой момент эта система начинает формироваться. Чтобы изучить этот вопрос подробнее, ученые под руководством Франчески Гарбарини (Francesca Garbarini) из Туринского университета провели эксперимент с участием 25 взрослых людей и 25 новорожденных (возрастом от одного до пяти дней) младенцев.

В ходе эксперимента участникам (как взрослым, так и младенцам) на руку прикрепляли стимулирующий электрод, который ощутимо (но безболезненно) бил их током в определенный момент. В дополнение к этому участникам включали короткий звуковой сигнал — либо отдельно, либо одновременно со стимуляцией: звук проигрывался либо рядом с участником, либо на расстоянии 1,4 метра от него. Таким образом, участники эксперимента получали либо стимуляцию одной модальности (тактильную и слуховую), либо сразу двух (и тактильную, и слуховую вместе), связанные друг с другом во времени и пространстве.

Ученые предположили, что мультимодальную обработку сигналов можно оценить по величине вызванных потенциалов (электрических сигналов мозга в ответ на определенный стимул) на ЭЭГ: амплитуда потенциала при совместной обработке двух сенсорных стимулов должна быть выше, чем если их взять по отдельности и сложить. У взрослых позитивный вызванный потенциал в ответ обнаружили между 280 и 400 миллисекундами после стимуляции, и амплитуда потенциала в ответ на мультимодальную (а точнее — бимодальную, так как стимула было два) стимуляцию в действительности была выше, чем в ответ на суммарную тактильную и слуховую стимуляцию (p < 0,001).

У младенцев наблюдалась точно такая же картина (p < 0,001): амплитуда сигнала при бимодальной стимуляции была выше, чем при суммарной, и коррелировала с возрастом (амплитуда росла с возрастом младенца). Кроме того, и у взрослых, и у младенцев амплитуда сигнала была выше в том случае, если звук проигрывали рядом с ними, а не вдалеке.


Амплитуда вызванного потенциала в ответ на совместную и суммарную стимуляцию со звуком, проигранным рядом (слева) и вдалеке (справа) у взрослых (А) и младенцев (С).

Ученые, таким образом, продемонстрировали способность мозга новорожденных младенцев обрабатывать мультимодальную информацию — причем делает он это, судя по всему, точно так же, как и мозг взрослого человека. В свою очередь, то, что младенцы, как и взрослые, сильнее реагировали на тактильную стимуляцию в сочетании со звуком, проигранным рядом, а не вдалеке, указывает на то, что осознание собственного тела (пусть и довольно примитивное) доступно человеку сразу после рождения.

Примерно в том же возрасте нескольких дней дети также могут распознавать лица и сцены — и эта обработка также очень похожа на взрослую. Подробнее об этом можно прочитать в нашей заметке.

P.S. Ссылка на информацию, о которой упоминается в заметке:

В мозге новорожденных нашли взрослые способности к распознаванию лиц и сцен
https://nplus1.ru/news/2020/03/03/innate-recognition

[АrefievPV]

Новая теория памяти – прорыв или утопия?
http://neuronovosti.ru/new_theory_of_memory/

В конце февраля в журнале Frountiers in Molecular Biology вышла статья Бенжамина Гульта (Benjamin Goult), в которой он предложил свою теорию формирования памяти. Эта теория смогла объяснить, в какой форме находятся воспоминания в мозге, почему порой они исчезают, почему мы способны вспоминать за считанные секунды, где физически находится память. Об этой статье сразу же написали в целом ряде новостных изданий, назвав теорию Гульта революционной. Но действительно ли это так?



Бенжамин Гульт – профессор университета Кента в Великобритании. С 2006 года он занимался исследованиями белка талина у животных. Свою теорию он основывает на функционировании именно этого элемента, называя его "белком памяти".

Прежде чем погрузиться в механистическую теорию памяти, попробуем в общих чертах вспомнить некоторые сведения из цитологии – науке, изучающей клетки.

Цитология

Наше тело и органы состоят из разного рода тканей, например, мышечной, нервной. Каждая ткань – это стабильная совокупность множества клеток, тех самых, которые мы активно изучали на уроках биологии в школе.

Клетки – основные «кирпичики» живого организма. Они состоят из ядра и целого ряда других органелл. У каждой клетки есть клеточный скелет – цитоскелет. Он необходим для того, чтобы поддерживать форму клетки, способствовать клеточной миграции, а также осуществлять транспортировку химических веществ внутри самой клетки. Один из основных компонентов цитоскелета – актин, формирующий в клеточной мембране множество нитей, играющих роль каркаса клетки.

Клетки, объединяясь в ткани, удерживаются вместе за счет связей, которые они образуют как друг с другом, так и со специальной структурой, в которой они "плавают" — внеклеточным матриксом.

Таким образом, внеклеточный матрикс – это своеобразный фундамент ткани, состоящий из ряда белковых молекул – гликопротеинов (например, коллагена) и протеогликанов,– за который цепляются клетки. Чтобы зацепиться за внеклеточный матрикс, клетка образует целый белковый комплекс, который можно сравнить с якорем.

Упрощенно представим себе, что наш якорь состоит из 3 белков. Один из белков – это интегрин. Он находится в клеточной мембране и соединяется с внеклеточным матриксом. Второй элемент – это актин, сам цитоскелет клетки. Соединительный элемент между ними – талин. Он упрочняет сцепление между актиновыми нитями и интегрином, который присоединяется к внеклеточному матриксу.



Белок памяти

Талин – белок-связка, который состоит из 13 спиральных белковых пучков. Каждый такой пучок может существовать в двух возможных видах: свернутом или развернутом. Если назвать свернутое состояние пучка – 0, а развернутое – 1, то получается, что один белок талина будет записывать некую информацию в виде двоичной последовательности, например: 0110 1111 0000 1.



Такая последовательность с помощью белка винкулина закрепляется и сохраняется на длительное время. Определенная последовательность спиральных пучков позволяет клетке сохранять гомеостаз в изменяющейся внешней среде. Стоит среде измениться, возникает механическое напряжение, которое талин улавливает, на которое он реагирует.

В результате он словно вычисляет новую формулу стабильности, преобразуя последовательность спиральных пучков. Эта новая последовательность вернет клетку в стабильное состояние. Таким образом, в талине происходит обработка информации из внешней среды, итогом которой становится новая двоичная последовательность.

На уровне нейронов

Каждый нейрон – это клетка. Поэтому все то, что было описано выше, применимо и к мозгу. Каждый синапс имеет привязку к внеклеточному матриксу, осуществляемую с помощью интегрина и талина. Если синапс активирован, пресинаптический нейрон осуществляет транспортировку нейромедиаторов в постсинаптический клетку. Этот процесс изменяет окружающую среду клетки, вызывая механические колебания, улавливаемые талином (ведь выброс нейромедиатора требует определенной механической силы). Белок "вычисляет" новую двоичную последовательность, которая возвращает его в стабильное состояние.

Полученные двоичные последовательности далее считываются лигандами (молекулами-«соединителями») в нейроне. В зависимости от того, свернуты ли пучки талина или развернуты, в процессе считывания участвуют разные лиганды.



По итогу считывания каждый синапс имеет свой набор лиганд, своеобразную лигандную маркировку. В зависимости от этой маркировки в нейроне начинают осуществляться глобальные структурные изменения: изменяется количество протеинов в синаптических окончаниях, синапс видоизменяется, увеличиваясь или уменьшаясь. Часть протеинов приходит в активный синапс из других пассивных нейронных терминалей.

Число используемых протеинов в клетке постоянное, оно регулируется на генетическом уровне, поэтому чтобы доставить дополнительный протеин в активный синапс, необходим его отток из других. Клетка организуется таким образом, чтобы более важный, активный синапс был в состоянии боеготовности и мог при необходимости передать сигнал другой клетке.

Таким образом, новая структура (конформация) талина изменяет сам нейрон, а также вероятность возникновения потенциала действия (путем регулирования порогового значения нейрона).

На уровне организма

По периметру синапса для каждого нейрона содержится несколько "якорей", в каждом из которых есть своя последовательность из «нулей и единиц». Эту последовательность можно объединить в одну более длинную, которая будет кодировать текущее состояние конкретного синапса.



А так как синапсов в мозге около 100 триллионов, то получается, что все двоичные последовательности вместе взятые кодируют в мозге текущее состояние организма, которое зависит от внешней среды.

Гульт предполагает, что именно такая двоичная последовательность пучков в белке талине представляет собой основу сохранения информации в мозге. Такую последовательность он называет MeshCode.

По гипотезе ученого, нейронная сигнализация изменяет этот самый код, из-за чего происходит биологическое вычисление – поиск стабильного состояния белка. Конформация белка, в свою очередь, влияет на нейрон. И так далее.



Организация памяти

Но что же дальше? Если каждое наше воспоминание – это запись мгновенного состояния организма, то как в таком количестве информации мозг ориентируется? Почему мы вспоминаем порой за долю секунды, не теряя времени на поиск информации? Создается впечатление, что каждое воспоминание находится на своем четко определенном месте, и чтобы что-то вспомнить, мозг просто направляет энергию в нужные нейроны.

Гульт предполагает, что подобная клеточная организация памяти похожа на ячейки в жестком диске компьютера. Роль самого жесткого диска играют нейронные колонки коры головного мозга. Кортикальный модуль (или жесткий диск, если хотите), состоит из шести слоев нейронов, направленных перпендикулярно поверхности коры.



Каждая колонка содержит свою структуру и имеет более 10 000 синапсов, в которых есть несколько десятков или сотен белковых комплексов с талином. Такие колонки могут играть роль модулей памяти, позволяющих четко организовывать наши воспоминания, категоризировать их и хранить в определенном месте в зависимости от типа.



Гульт предполагает, что мозг имеет своеобразную карту воспоминаний, которая и позволяет ему быстро ориентироваться во всей информации. Ученый считает, что такая карта создается благодаря деятельности гиппокампа. Эта структура мозга принимает новую информацию, распределяет ее в свободные модули памяти и индексирует таким образом, чтобы в нужный момент эту информацию можно было легко обнаружить.

Как гиппокамп организует нашу память

Гиппокамп не сохраняет информацию, вместо этого он осуществляет ее первичную обработку и затем распределяет по модулям памяти. То есть он играет роль дирижера запоминания.

Основная работа гиппокампа, по мнению Гульта, происходит ночью, когда мы спим. В фазе медленного сна организм осуществляет обработку всей информации за день: через изменение белка талина, лигандного считывания, а также через изменения структуры нейронов.

Затем, в фазе быстрого сна, гиппокамп передает (электрохимически) получившийся код в свободные модули памяти в коре мозга. Именно поэтому в фазе быстрого сна наблюдается высокая активность мозга.

Такой цикл повторяется несколько раз за ночь, что позволяет записать всю информацию в коре и индексировать ее наиболее эффективным образом.

Ряд современных исследований также показал, что во сне мозг убирает ненужные воспоминания из гиппокампа, очищает его и подготавливает для приема новой информации в течение следующего дня.

Проблемы памяти

Почему порой человек не может вспомнить какое-либо событие? Это происходит из-за того, что нарушается координация механизма двоичного кодирования в талине. Например, из-за гипоксии или во время болезни Альцгеймера (вследствие негативного влияния тау-белка и бета-амилоидов).

Возрастные проблемы памяти также могут быть вызваны неполадками двоичного кодирования. Из-за того, что с возрастом теряется целостность нейронных связей, талин хуже реагирует на изменения окружающей межклеточной среды.

Критика

Революционная теория на самом деле продолжает множество работ в области молекулярной биологии памяти. Вклад в эту область внесли и Эрик Кандель, и Константин Анохин, и Лари Сквайр и многие другие. Благодаря вкладу этих ученых стало ясно, что память – это изменения в  синапсе, клетке и даже в экспрессии генов.

На текущий момент эта теория стремится описать множество процессов в мозге, тем самым представляя собой своеобразную "теорию всего". Однако, зачастую, именно это не позволяет ученым увидеть полную картину реальности, так как с помощью одной теории или одного явления описывается абсолютно все (от памяти до сна).

Теория Гульта не объясняет, почему же в момент воспоминания большая активность наблюдается в префронтальной коре мозга, также не отвечает на вопрос, как без гиппокампа может формироваться несознательная моторная память (как в случае с Генри Молисоном). Помимо этого, она базируется лишь на одном механочувствительном белке – талине, в то время как их несколько, и каждый может подобным образом участвовать в формировании памяти.

Однако, данная теория – интересная попытка дать ответ на вопрос "что же такое воспоминание с точки зрения мозга". И если мозг действительно запоминает бинарными комбинациями множества спиральных пучков белка талина, то в будущем этот подход позволит не только лечить проблемы памяти, но и сохранять память личности вне самого человека, на внешних информационных носителях.

[АrefievPV]

«Центр страха» переключает мозг в социальный режим
https://www.nkj.ru/news/40963/

В миндалевидном теле мозга есть разные группы нейронов – для работы в одиночку и для работы с оглядкой на других.

Центром страха традиционно называют миндалевидное тело, или амигдалу. Долгое время считалось, что главная функция амигдалы – помогать нам бояться; действительно, индивидуумы с неработающей амигдалой утрачивают чувство страха. Однако со временем стало понятно, что амигдала управляет не только страхом, но и другими эмоциями, и более корректно называть её не центром страха, а эмоциональным центром. Но и эмоции – это ещё не всё: амигдала участвует в самых разных функциональных процессах мозга. Известно, что в ней есть группы нейронов, необходимые для обучения и памяти; известно, что она помогает испытывать удовольствие; известно, что амигдала помогает хищникам охотиться.

Более того, эксперименты на обезьянах показали, что миндалевидное тело необходимо для социальных функций мозга. Аномалии в амигдале связывают с изменениями в социальном поведении, характерными для шизофрении и аутистических расстройств. Но что именно делает амигдала в социальном смысле? Сотрудники Центра биомедицинских исследований Фридриха Мишера пишут в Nature, что амигдала переводит мозг в социальный режим. Это не означает, что индивидуум обязательно общается, обнюхивается, ссорится или вообще как-то непосредственно взаимодействует – в социальном режиме мозг может заниматься индивидуальными делами, но только с оглядкой на присутствие рядом кого-то другого.

Опыты ставили с мышами, которых сажали в прозрачную клетку одних или в компании с другой мышью, и тщательно наблюдали за их поведением. Мышам на голову устанавливали портативное устройство, которое позволяло наблюдать вживую за нейронами миндалевидного тела. Мышь могла или обследовать клетку, или начать чистить шерсть, или пойти познакомиться с другой мышью, если обнаруживала у себя соседа. Агрессивное поведение животные демонстрировали редко, они или с интересом общались, или избегали друг друга.

Как и ожидалось, в амигдале обнаружилась одна группа нейронов, которые активировались при социальных взаимодействиях, и другая группа нейронов, которая активировалась, когда мышь делала что-то сама по себе. То есть при знакомстве с другой мышью или при активном избегании соседа работали одни нейроны амигдалы, а при прогулках и чистке собственной шерсти – другие.

В тоже время в амигдале были ещё две группы нейронов: если мышь обследовала клетку или чистилась в одиночку, работала одна группа клеток, если же она делала то же самое в присутствии соседа, то работала другая группа клеток. Разница была видна и в поведении: когда мыши сидели в клетке попарно, то своё помещение они осматривали не так подробно, чем когда они сидели в клетке одни. То есть даже если мышь занималась чем-то сама по себе, ей всё равно приходилось иметь в виду, что тут есть кто-то ещё. Даже не взаимодействуя с соседом, мозг всё равно работал в социальном режиме.

Иными словами, роль миндалевидного тела – в прошлом «центра страха» – заключается в том, чтобы, во-первых, различать явные социальные действия от несоциальных (например, чтобы отличать ритуал знакомства от чистки шерсти), и, во-вторых, чтобы учитывать социальное окружение даже в том случае, когда ты с этим окружением никак не взаимодействуешь. Когда в поле зрения есть какие-то соседи, с ними так или иначе приходится считаться, пусть ты с ними и не общаешься.

Конечно, было бы интересно узнать, как работает социальная функция амигдалы у человека – наверняка там есть какие-то особенности. Узнать это было бы тем полезнее, если учесть, что при некоторых психоневрологических расстройствах человек начинает вести себя в присутствии других именно так, как если бы никаких других вообще не было.

P.S. Ссылки на информацию, о которой упоминается в заметке:

Как мозг охотится
https://www.nkj.ru/news/30514/
Нейронный центр охотничьего поведения находится в той части мозга, которую мы привыкли считать «центром страха».

В «центре страха» нашли «центр удовольствия»
https://www.nkj.ru/news/30945/
Нейроны миндалевидного тела побуждают искать приятные ощущения.

[АrefievPV]

Как мозг учится без сознания
https://www.nkj.ru/news/41014/

Система подкрепления помогает памяти запомнить то, что проходит мимо сознательного внимания.

Чтобы что-то запомнить, чтобы чему-то научиться, нужно сосредоточиться, напрячь внимание, нужно сознавать то, что мы видим и слышим – только так у нас получиться запомнить новую информацию или освоить какой-то навык. На самом деле, не только так – давно известно, что какие-то вещи западают нам в память, минуя сознание.

Мы можем запомнить какой-то образ, чьи-то черты лица или чьи-то слова, вообще не обращая на них внимания. Известно, что здесь особую роль играет вознаграждение. Если за бессознательным стимулом последует награда, то потом этот стимул – например, какая-то картинка, которую нам показали так, что мы её даже не заметили – так вот картинка с наградой запомнится лучше, чем без награды. Разумеется, когда мы получаем награду, нам и в голову не приходит, что она связана с бессознательным стимулом.

Награда – это что-то приятное, и удовольствие от награды обслуживает целая система нервных центров, которая называется системой подкрепления (или системой вознаграждения). Система подкрепления даёт не только чувство удовольствия, она также сильно влияет на обучение, мотивацию и память – что неудивительно, потому что удовольствие от результата какой-либо деятельности лучше всего мотивирует на эту самую деятельность.

Сотрудники Лёвенского католического университета решили узнать подробнее, как система подкрепления помогает учиться на бессознательном. Эксперимент ставили с обезьянами, которых загружали каким-то трудным заданием, и пока они его пытались выполнить, им показывали размытую человеческую фигуру или лицо. Задание подбирали так, чтобы оно не было связано с распознаванием фигур и лиц, так что обезьяны никак не должны были заметить, что им там ещё показывают.

При этом животным стимулировали вентральную область покрышки – один из мозговых центров, входящих в систему подкрепления. Вентральная область покрышки – один из главных поставщиков дофамина, и здесь же начинаются множество нейронных цепочек, которые используют дофамин для передачи сигнала. Оказалось, что если одновременно с картинками у обезьян стимулировали вентральную область покрышки, они хорошо запоминали эти картинки – например, они потом могли более-менее точно показать, была ли размытая фигура повёрнута к ним левым боком или правым. Без стимуляции таких подробностей обезьяны в «бессознательных картинках» не запоминали.

Когда у животных сканировали мозг на предмет того, чтобы определить более активные и менее активные области, то оказалось, что при стимуляции вентральной области покрышки начинали лучше работать зрительные центры и центры памяти. Очевидно, дофаминовые сигналы системы подкрепления стимулировали обработку и запоминание зрительных образов. В результате картинка записывалась в память, хотя никаких сознательных усилий для этого не прилагалось. Результаты экспериментов опубликованы в журнале Neuron.

Вполне возможно, что также в память западают и звуки, и весьма вероятно, что такой же механизм работает не только у обезьян, но и у человека. Можно даже предположить, что у человека подобным образом в памяти могут осесть даже какие-то собственные мысли – так сказать, внутренние стимулы; но тут свою фантазию лучше придержать до новых исследований.

Вряд ли «бессознательное обучение» позволяет запомнить много – всё-таки оно играет вспомогательную роль по отношению к тому обучению, которое достигается вниманием и волевым усилием. Однако наверняка многие особенности личности (с психологической точки зрения), многие особенности работы мозга (с точки зрения нейробиологии) определяются подобной «бессознательной памятью».

P.S. Опять идёт подмена "внаглую" сознания (всего многоуровневого сознания, всего многоуровневого механизма сознания) уровнем сознания...

Ведь "бессознательное", это только без участия высших уровней сознания (тех, которые работают со знаниями социума) - нижние/средние-то уровни работают. И с вниманием идёт такая же подмена - "внимания не обращают" только высшие уровни.

Обучатся принципиально новому (совершенно неизвестному, совершенно незнакомому) только так и возможно - "без сознания". Но не стоит забывать, что понятие "принципиально новое" только в отношении определённого уровня сознания - то есть, оно является "принципиально новым" только для данного уровня (потому и проникает на этот уровень "тайно" и "окольными тропами"), для уровней ниже - ничего этакого "принципиально нового" нет.

Например, для белков-рецепторов в светочувствительных клетках сетчатки ничего не меняется. То есть, для них фотоны, как были фотонами так и остались фотонами, а комбинации, серии, совокупности, последовательности фотонов для белков-рецепторов не имеют значения. Но уже для нейронов сетчатки комбинации, серии, совокупности, последовательности фотонов имеют значение - они могут нести информацию о яркости, направления движения и т.д. и т.п. А если "подняться" ещё выше - в первичные зоны зрительной коры - то там в этих комбинациях, сериях, совокупностях, последовательностях уже будут распознаваться линии.

Всё принципиально новое в нас проникает помимо сознания - сознание (на любом уровне), это страж и контролёр - оно допускает восприятие и анализ нового только с позиции имеющихся знаний.
И сознание, наоборот, всегда ограничивает запоминание "рамками знаний". Недаром, запомнить сознательно некую "чушь" или просто неинтересное очень трудно - требуется многократные повторения, "напряжение воли" ("привязка" дальнобойного желания к выполнению данной операции по запоминанию) и т.д., только для того чтобы новое пробилось через фильтр сознания и "записалось" (хоть по кусочкам). 

Поэтому, для обучения важна пластичность (а для обучения принципиально новому - она критически важна). Пластичность нижних уровней жёстко ограничена (в первую очередь - наследственностью - генами и "эпигенами"). Это и понятно - в противном случае у белки-рецепторы начали бы воспринимать "кто во что горазд" (не только у разных видов или особей, но и в одном глазу). Пластичность нижних уровней себя проявляет только в период раннего онтогенеза - задолго до рождения (формирование распознавателей первичных зрительных зон ("котячий вертикальный мир") я отношу уже к средним (разумеется, самое начало средних, но всё же  ).

Мало того, даже средние уровни могут ставить "препоны" для восприятия нового (в них уже имеются знания, которые оттуда не "выковырять" без риска поломки всей структуры психики и мозга). Тому подтверждения многочисленные иллюзии, которые мы продолжаем "видеть" даже тогда, когда уже понимаем, что это иллюзии.