Введение в поведенческую нейробиологию

Поведенческая нейронаука — это изучение того, как нервная система управляет поведением людей и животных. Исследователи в этой области используют разнообразные методы, от техник дрессировки животных до экспериментов по нейровизуализации, чтобы изучить, как функциональные области и сети мозга коррелируют с конкретными формами поведения и соответствующими патологическими состояниями.

В данном видео будет представлен краткий обзор истории поведенческой нейронауки, рассмотрены ключевые вопросы, которые ставят исследователи в этой области, описаны основные методы, используемые для поиска ответов на эти вопросы, а также продемонстрированы типы экспериментов, проводимых в современных лабораториях поведенческой нейронауки.

Начнем с обзора некоторых основных вех в истории поведенческой нейробиологии. В Древней Греции Гиппократ и его последователи одними из первых высказали предположение, что мозг управляет человеческим мышлением.

Затем, в 1662 году, Рене Декарт разработал одну из первых моделей, описывающих механизм управления поведением со стороны мозга: он полагал, что душа контролирует тело через эпифиз.

В течение следующих нескольких столетий было накоплено множество доказательств ошибочности взглядов Декарта. Например, в 1848 году с путевым обходчиком Финеасом Гейджем произошел несчастный случай, в результате которого железный стержень пробил его череп. Он выжил, но у него наблюдались серьезные изменения личности, что продемонстрировало глубокое влияние повреждения лобной доли на поведение.

Затем, в конце XIX века, Поль Брока и Карл Вернике исследовали пациентов, утративших способность читать и/или говорить, и обнаружили области мозга, ответственные за язык, которые теперь известны как область Брока и область Вернике.

Позже, в 1890 году, Уильям Джеймс заявил, что психологию следует изучать через биологию, после чего последовало множество важных открытий в области модификации поведения. В 1930-х годах, следуя совету Джеймса, Б. Ф. Скиннер разработал аппарат, называемый ящиком Скиннера, который до сих пор используется для изучения того, как наказание и вознаграждение могут закреплять определенное поведение у животных.

Затем, в конце XX века, стали доступны передовые методы нейровизуализации, такие как магнитно-резонансная томография, или МРТ. В 1990 году Сэйдзи Огава разработал метод, который сейчас используется для функциональной МРТ; это произвело революцию в нейробиологии, позволив исследователям визуализировать активность мозга в динамике при выполнении простых когнитивных задач.

Теперь, когда мы обсудили основные события в истории поведенческой нейронауки, давайте рассмотрим некоторые фундаментальные вопросы, которые ставят современные специалисты по нейробиологии поведения. Все эти вопросы связаны с изучением нейронных коррелятов, или специфических областей мозга, активация которых отвечает за определенную функцию.

Например, ученый, интересующийся контролем движений нервной системой, может исследовать механизмы, управляющие балансом и координацией. Хотя установлено, что эти функции локализованы в первичной моторной коре, премоторной коре, мозжечке и черном веществе (substantia nigra), ученые все еще изучают, каким образом нейронные связи внутри каждой области и между ними обеспечивают локомоцию.

С другой стороны, исследователи могут изучать, как нервная система оценивает стимулы и направляет поведение на основе этих стимулов. В этом случае может возникнуть вопрос о том, как различные типы вознаграждения могут влиять на поведение животного. Понимание того, когда и почему определенные вознаграждения становятся мотивирующими, могло бы помочь в решении таких проблем, как зависимость. Нейронными коррелятами мотивации и вознаграждения являются лимбическая система и вентральная область покрышки.

Другие специалисты по поведенческой нейронауке изучают, как нервная система обеспечивает обучение и формирование памяти. Например, можно исследовать, как мозг создает и сохраняет воспоминания, связанные со стимулами страха, что важно для лечения посттравматических стрессовых расстройств. Эти функции обычно локализованы в гиппокампе и миндалевидном теле.

Дополнительные ключевые вопросы сосредоточены на высших когнитивных процессах, таких как распознавание лиц. Здесь исследователь может изучить, как субъект реагирует на знакомые и новые лица. У людей специфическим нейронным коррелятом распознавания лиц является область распознавания лиц (fusiform face area) в веретенообразной извилине.

Теперь, когда мы рассмотрели несколько основных вопросов, которые ставят нейробиологи, изучающие поведение, давайте подробнее остановимся на некоторых основных методах, используемых для поиска ответов на них. Многие подходы в этой области включают поведенческие эксперименты на животных, которые проводятся после манипуляций с определенными областями мозга с целью изучения связи между нейробиологией и поведением.

Такие процессы, как локомоция, можно изучать у животных с помощью специализированного оборудования, например, ротарода — вращающегося стержня, который требует от животного постоянного движения, чтобы не упасть, или камер, в которых животное должно дотянуться до пищи для проверки ловкости.

Методы, основанные на модификации поведения, включают оперантное обусловливание и могут использовать ящик Скиннера для экспериментов по самовведению с применением поощряющих или аверсивных стимулов, таких как пища или лекарственные препараты.

Для исследования обучения и памяти часто используют лабиринты, например, Т-образные лабиринты или водный лабиринт Морриса, в которых животные должны найти, а затем запомнить путь к выходу из установки.

По мере того как растет сложность исследуемого поведения, возрастает и необходимость в участии людей. Например, изучение высших когнитивных процессов, таких как язык, может включать методы измерения нейронной активности через кожу головы, такие как электроэнцефалография, которую можно применять во время выполнения испытуемым определенной когнитивной задачи.

Для изучения когнитивных функций человека также используются методы функциональной визуализации, такие как функциональная магнитно-резонансная томография или фМРТ. Этот метод измеряет сигнал, коррелирующий с кровотоком, который, в свою очередь, может быть связан с нейронной активацией при выполнении задачи, что в итоге позволяет получить статистическую карту активных областей мозга.

Теперь, когда мы рассмотрели некоторые из основных методов поведенческой нейробиологии, давайте изучим примеры применения этих методов.

В данном эксперименте мышь приучают к тому, что многократное нажатие рычага в ящике Скиннера приведет к получению пищевого вознаграждения. Затем животному вводят нейроактивные вещества, например гормон лептин, чтобы оценить, как возникающие изменения в активности мозга влияют на мотивацию к поиску пищи.

У людей функциональная МРТ часто используется для изучения высших когнитивных процессов, таких как принятие решений. В этом исследовании участников во время фМРТ-сканирования просили определить, быстро или медленно движется узор из точек.

Электроэнцефалография, или ЭЭГ, представляет собой неинвазивный метод, который может применяться для изучения патологических состояний, таких как деменция и болезнь Альцгеймера. В этих экспериментах участники носят неинвазивные электроды на коже головы, которые измеряют электрическую активность мозга при выполнении определенной функции. Анализ может выявить аномальные паттерны, коррелирующие с неврологическими или психиатрическими заболеваниями.

Вы только что посмотрели вводное видео JoVE по поведенческой нейробиологии. Мы кратко ознакомились с историей этой области исследований, рассмотрели некоторые из ее ключевых вопросов, обсудили основные методы, используемые для поиска ответов на эти вопросы, и изучили примеры применения данных методов.

Спасибо за просмотр!