Наука о самом сложном объекте во Вселенной
Нейробиология — комплексная наука, изучающая нервную систему: её строение, функции и болезни на молекулярном, клеточном, системном и поведенческом уровнях. Человеческий мозг содержит 86 миллиардов нейронов (Азеведо и др., 2009) и 85 миллиардов глиальных клеток. Количество синаптических связей — около 100 триллионов. Если записывать каждую связь одним байтом, только для хранения этой карты потребовалось бы 100 терабайт.
Нейробиология как самостоятельная дисциплина сформировалась в 1950-60-х годах на пересечении анатомии, физиологии, биохимии, фармакологии и психологии. Ключевые прорывы: открытие нейромедиаторов, метод patch-clamp (1976, Нобелевская премия Неера и Сакмана, 1991), функциональная МРТ (1990-е).
Нейрон: единица нервной системы
Нейрон — клетка, специализированная для передачи электрических и химических сигналов. Части нейрона: дендриты (принимают сигналы от других нейронов), тело клетки (сома — метаболический центр), аксон (передаёт сигнал, у длинных аксонов покрыт миелином — ускоряет проведение). Скорость нервного импульса: немиелинизированные волокна — 0,5-2 м/с, миелинизированные — до 120 м/с.
Потенциал действия — электрический импульс, возникающий при деполяризации мембраны. «Всё или ничего»: либо импульс есть в полную силу, либо его нет. Кодирование информации — в частоте, а не амплитуде импульсов.
Синапс — место передачи сигнала между нейронами. Химический синапс: электрический сигнал → выброс нейромедиатора в синаптическую щель → связывание с рецептором → новый электрический сигнал (или торможение). Время передачи — 0,2-0,5 мс. Электрические синапсы (щелевые контакты) — быстрее, но менее регулируемые.
Нейромедиаторы: химия поведения
Дофамин — система вознаграждения и мотивации. Освобождается при предвкушении награды (не самой награды). Дефицит → болезнь Паркинсона (гибель дофаминергических нейронов), СДВГ. Избыток → шизофрения. Именно дофамин делает социальные сети и игры захватывающими — они эксплуатируют систему вознаграждения.
Серотонин — регуляция настроения, сна, аппетита. 95% серотонина организма находится в кишечнике — отсюда «ось кишечник-мозг». Антидепрессанты СИОЗС блокируют обратный захват серотонина, повышая его концентрацию в синапсе.
ГАМК (гамма-аминомасляная кислота) — главный тормозной медиатор. Бензодиазепины (успокоительные) потенцируют ГАМК-рецепторы — отсюда успокоение и сонливость. Алкоголь тоже действует на ГАМК — отсюда эффект расслабления.
Глутамат — главный возбуждающий медиатор. Критичен для обучения и памяти (LTP — долгосрочная потенциация). Избыток → нейротоксичность (как при инсульте).
Нейропластичность
Мозг не является статичным органом — он меняется в ответ на опыт. Нейропластичность — способность нервной системы изменять свою структуру и функции. Синаптическая пластичность (укрепление или ослабление синапсов) — молекулярная основа обучения. Нейрогенез взрослых — образование новых нейронов во взрослом мозге (доказано в гиппокампе). Аксональный спрутинг — рост новых отростков после повреждения.
Зеркальные нейроны (Риззолатти, 1996) — клетки, активные и при выполнении действия, и при наблюдении за ним. Гипотеза: основа эмпатии и обучения через имитацию. Связь с аутизмом изучается, но вопрос остаётся открытым.
Методы изучения мозга
фМРТ (функциональная МРТ) — фиксирует изменения кровотока, коррелирующие с активностью нейронов (BOLD-сигнал). Пространственное разрешение — миллиметры, временное — секунды. Ограничение: активность, а не «мысли».
ЭЭГ — регистрирует электрическую активность коры. Высокое временное разрешение (миллисекунды), низкое пространственное. Незаменима для исследования сна и эпилепсии.
Оптогенетика (Deisseroth, 2005) — нейроны вводят светочувствительные белки и включают/выключают лазером. Революционный инструмент: можно управлять конкретной группой нейронов в живом организме.