Wprowadzenie do neuronauki behawioralnej

Neuronauka behawioralna to dziedzina zajmująca się badaniem tego, w jaki sposób układ nerwowy steruje zachowaniem ludzi i zwierząt. Badacze w tej dziedzinie wykorzystują różnorodne metody, od technik trenowania zwierząt po eksperymenty z obrazowaniem neurologicznym, aby zbadać, jak funkcjonalne obszary i sieci mózgowe korelują z konkretnymi zachowaniami oraz powiązanymi z nimi stanami chorobowymi.

W niniejszym filmie przedstawiony zostanie zwięzły przegląd historii neuronauki behawioralnej, omówione zostaną kluczowe pytania stawiane przez badaczy w tej dziedzinie, przeanalizowane zostaną niektóre z głównych metod stosowanych w celu udzielenia odpowiedzi na te pytania oraz zaprezentowany zostanie wgląd w rodzaje eksperymentów przeprowadzanych obecnie w laboratoriach neuronauki behawioralnej.

Zacznijmy od przeglądu najważniejszych kamieni milowych w historii neuronauki behawioralnej. W starożytnej Grecji Hipokrates i jego zwolennicy byli jednymi z pierwszych, którzy wierzyli, że mózg kontroluje ludzkie myślenie.

Następnie, w 1662 roku, René Descartes opracował jeden z pierwszych modeli opisujących sposób, w jaki mózg kontroluje zachowanie – spekulował on, że dusza steruje ciałem poprzez szyszynkę.

Kolejne stulecia dostarczyły wielu dowodów na to, że Descartes się mylił. Na przykład w 1848 roku majster kolejowy Phineas Gage uległ wypadkowi, w wyniku którego żelazny pręt przebił jego czaszkę. Przeżył on to zdarzenie, lecz wykazywał silne zmiany osobowości, co dowiodło, że uszkodzenie płata czołowego ma głęboki wpływ na zachowanie.

Następnie, pod koniec XIX wieku, Paul Broca i Carl Wernicke badali pacjentów, którzy utracili zdolność czytania i/lub mówienia, i odkryli obszary mózgu odpowiedzialne za język, znane obecnie jako ośrodek Broca i ośrodek Wernicke.

Później, w 1890 roku, William James stwierdził, że psychologię należy badać poprzez biologię, co doprowadziło do wielu przełomowych odkryć w zakresie modyfikacji zachowań. W latach 30. XX wieku, postępując zgodnie z radą Jamesa, BF Skinner opracował urządzenie zwane skrzynką Skinnera, która do dziś jest wykorzystywana do badania tego, jak kara i nagroda mogą wzmacniać określone zachowania u zwierząt.

Pod koniec XX wieku dostępne stały się zaawansowane techniki obrazowania neuronowego, takie jak obrazowanie rezonansem magnetycznym, czyli MRI. W 1990 roku Seiji Ogawa opracował metodę stosowaną obecnie w funkcjonalnym MRI (fMRI), co zrewolucjonizowało neuronaukę, umożliwiając badaczom wizualizację aktywności mózgu w czasie podczas wykonywania prostych zadań poznawczych.

Po omówieniu najważniejszych wydarzeń w historii neuronauki behawioralnej, przejrzyjmy kilka fundamentalnych pytań, które stawiają współcześni badacze neurobiologii zachowania. Wszystkie te pytania dotyczą badania korelatów neuronalnych, czyli specyficznych obszarów mózgu, których aktywacja odpowiada za daną funkcję.

Na przykład naukowiec zainteresowany kontrolą ruchu przez układ nerwowy może badać mechanizmy kontrolujące równowagę i koordynację. Choć ustalono, że funkcje te są przypisane do pierwotnej kory ruchowej, kory przedruchowej, móżdżku oraz substancji czarnej, naukowcy wciąż badają, w jaki sposób obwody w obrębie i pomiędzy tymi obszarami umożliwiają lokomocję.

Z kolei badacze mogą analizować, w jaki sposób układ nerwowy ocenia bodźce i kieruje zachowaniem na ich podstawie. W tym przypadku mogą oni badać, jak różne rodzaje nagród wpływają na zachowanie zwierząt. Zrozumienie, kiedy i dlaczego określone nagrody są motywujące, mogłoby pomóc w rozwiązywaniu problemów takich jak uzależnienia. Korelatami neuronalnymi motywacji i nagrody są układ limbiczny oraz pole brzuszne nakrywki.

Inni neuronaukowcy behawioralni badają, w jaki sposób układ nerwowy umożliwia uczenie się i tworzenie pamięci. Przykładowo, można badać, jak mózg tworzy i przechowuje wspomnienia związane z bodźcami wywołującymi lęk, co jest istotne w leczeniu zespołu stresu pourazowego. Funkcje te są zazwyczaj przypisane do hipokampa i ciała migdałowatego.

Dodatkowe kluczowe pytania koncentrują się na wyższych procesach poznawczych, takich jak rozpoznawanie twarzy. W tym przypadku badacz może analizować, jak badany reaguje na twarze znane w porównaniu z nowymi. U ludzi specyficznym korelatem neuronalnym rozpoznawania twarzy jest obszar twarzy w zakręcie wrzecionowatym.

Po omówieniu kilku głównych pytań stawianych przez neuronaukowców behawioralnych, przyjrzyjmy się niektórym z najważniejszych metod stosowanych w celu znalezienia na nie odpowiedzi. Wiele podejść w tej dziedzinie opiera się na eksperymentach behawioralnych z udziałem zwierząt, które są przeprowadzane po manipulacji w określonych obszarach mózgu, aby zbadać związek między neurobiologią a zachowaniem.

Procesy takie jak lokomocja mogą być badane u zwierząt przy użyciu specjalistycznego sprzętu, na przykład rotarodu, czyli obracającego się pręta, który wymaga od zwierzęcia ciągłego ruchu, aby uniknąć spadnięcia, lub komór, w których zwierzę musi sięgnąć po pokarm w celu przetestowania sprawności manualnej.

Metody obejmujące modyfikację behawioralną obejmują warunkowanie instrumentalne i mogą wykorzystywać skrzynkę Skinnera w eksperymentach z samopodawaniem, wykorzystujących bodźce nagradzające lub awersyjne, takie jak pokarm lub leki.

Metody badania uczenia się i pamięci często wykorzystują labirynty, takie jak labirynt w kształcie litery T lub wodny labirynt Morrisa, w których zwierzęta muszą znaleźć, a następnie zapamiętać drogę wyjścia z aparatury.

Wraz ze wzrostem złożoności badanego zachowania rośnie potrzeba udziału ludzi. Na przykład badanie wyższych procesów poznawczych, takich jak język, może obejmować metody mierzące aktywność neuronalną przez skórę głowy, takie jak elektroencefalografia, którą można zastosować podczas gdy badany wykonuje konkretne zadanie poznawcze.

Do badania ludzkiego poznania stosuje się również metody obrazowania funkcjonalnego, takie jak funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI). Metoda ta mierzy sygnał skorelowany z przepływem krwi, który z kolei może być powiązany z neuronalną aktywacją zależną od zadania, co w rezultacie pozwala na stworzenie statystycznej mapy aktywnych obszarów mózgu.

Po omówieniu niektórych z najważniejszych metod w neuronauce behawioralnej, przyjrzyjmy się zastosowaniom tych technik.

W tym eksperymencie mysz uczy się, że wielokrotne naciskanie dźwigni w skrzynce Skinnera skutkuje otrzymaniem pokarmu. Następnie zwierzę jest poddawane działaniu substancji neuroaktywnych, takich jak hormon leptyna, aby ocenić, w jaki sposób wynikłe zmiany w aktywności mózgu wpływają na motywację do zdobywania pożywienia.

U ludzi do badania wyższych procesów poznawczych, takich jak podejmowanie decyzji, często wykorzystuje się funkcjonalny rezonans magnetyczny. W tym badaniu uczestnicy podczas skanowania fMRI mieli ocenić, czy wzór kropek porusza się szybko, czy wolno.

Elektroencefalografia, czyli EEG, to nieinwazyjna technika, która może być wykorzystywana do badania stanów chorobowych, takich jak otępienie i choroba Alzheimera. W tych eksperymentach uczestnicy noszą na skórze głowy nieinwazyjne elektrody, które mierzą aktywność elektryczną mózgu podczas wykonywania określonej funkcji. Analiza może ujawnić nieprawidłowe wzorce skorelowane z chorobami neurologicznymi lub psychiatrycznymi.

Właśnie obejrzeli Państwo wprowadzenie JoVE do neuronauki behawioralnej. Przeglądaliśmy krótką historię tej dziedziny badań, omówiliśmy niektóre z jej kluczowych pytań, przedyskutowaliśmy istotne metody stosowane w celu znalezienia odpowiedzi na te pytania oraz przyjrzeliśmy się konkretnym zastosowaniom tych metod.

Dziękujemy za uwagę!