Нейробиология и когнитивистика
1 декабря 2024
Концептуальные нейроны гиппокампа отреагировали на связанные местоимения
Клетка, активирующаяся понятием «Шрек», реагировала и на связанное с ним местоимение «он».
Нейробиологи обнаружили, что в человеческом гиппокампе есть концептуальные нейроны, подобные корковым, которые реагируют на определенные понятия сильнее, чем на все другие. Эксперименты с пациентами с электродами в гиппокампе показали, что концептуальные нейроны также избирательно реагируют на местоимения, связанные с этими понятиями. Статья опубликована в Science.
Pronouns reactivate conceptual representations in human hippocampal neurons
DOI: 10.1126/ science.adr2813
Ранее исследования на пациентах с имплантированными в мозг электродами в начале 2000-х годов показали, что в средней височной доле и гиппокампе есть отдельные нейроны или небольшие группы нейронов, которые избирательно реагируют на ту или иную концепцию — к примеру, на фотографию конкретного человека или персонажа, его имя, а также на воспоминания о нем.
(см. Quiroga, R., Reddy, L., Kreiman, G. et al. Invariant visual representation by single neurons in the human brain. Nature 435, 1102–1107 (2005). doi 10.1038/ nature03687 ).
Так, например, ученые обнаружили в гиппокампе одного из участников «нейрон Дженифер Энистон», который активировался исключительно фотографиями актрисы, а в гиппокампе другого — «нейрон Холли Бэрри». Часто эти нейроны реагировали только на изображения, реже — одновременно на изображение и имя того, кто изображен. Нейроны, которые реагировали на понятия, независимо от того, как оно было представлено, назвали концептуальными.
Не вполне ясно, что происходит с концептуальными нейронами, когда мы, например, читаем какой-то текст, и в нем возникает местоимение — «он» или «она» — отсылающее к тому самому понятию.
Дорис Дейкстерхёйс (Doris Dijksterhuis) из Нидерландского института нейронаук и ее коллеги из Великобритании, Нидерландов и Франции предположили, что местоимения, связанные с существительными, активируют те же концептуальные нейроны, что и эти существительные. Чтобы проверить это, ученые недавно провели эксперимент с двадцатью двумя пациентами с эпилепсией, в гиппокампы которых были имплантированы электроды для локализации очагов судорог.
Сначала исследователи нашли в гиппокампе испытуемых концептуальные нейроны. Участники просматривали фотографии разных знаменитостей, персонажей и членов своей семьи, а ученые наблюдали за активностью отдельных нейронов гиппокампа и определяли, на какие изображения каждый из них реагирует сильнее. Также участникам предлагали читать предложения с именами тех же людей и персонажей. Так исследователям удалось выявить 19 концептуальных клеток, каждая из которых реагировала на определенное понятие, независимо от того, смотрели участники на изображение или читали текст. Еще 34 нейрона реагировали на отдельные слова, но не на их изображения — их исследователи назвали не концептуальными клетками, селективными к существительным.
Затем пациентам предлагали читать по два предложения. Первое содержало существительное, которое активирует конкретный нейрон, и существительное, на которое этот нейрон не реагирует. Второе предложение содержало местоимение, отсылающее к одному из существительных. Как и ожидали ученые, местоимения вновь активировали концептуальную клетку, если относились к тому существительному, которое тоже ее активирует. Таким образом, нейрон, реагирующий на Шрека, дважды активировался во время чтения предложений «Кортни Лав и Шрек зашли в бар. Он сел за столик» — на слове «Шрек» и на слове «он». Этот эффект был более выраженным для концептуальных нейронов, чем для нейронов, селективных к существительным.
Реакцию концептуальных нейронов на местоимения нельзя было объяснить их длительной активацией в ответ на предпочитаемое существительное, поскольку реактивации нейрона не происходило, если местоимение во втором предложении относилось к другому существительному. Если же первое предложение вообще не содержало имени, активирующего целевой нейрон, то пиков активности этого нейрона не наблюдалось ни в какой момент времени.
«Нейрон Шрека» реагировал на само слово «Шрек» и на местоимение «он», которое к нему относится (розовый график). В то же время он не реактивировался в ответ на местоимение «она», относящееся к другому имени в предыдущем предложении (зеленый график), и не реагировал на другие имена и местоимения (черный график)
(см. графики по ссылке - https://sun9-78.userapi.com/impg/ZoNWSog4BP1_xVBxDywY.. ).
Полученные результаты ученые подтвердили с помощью декодера, обученного на избирательных нейронных ответах на выбранные имена.
Авторы заключили, что местоимения и существительные, относящиеся к одному и тому же понятию, вызывают схожие представления в гиппокампе. Вероятно, то же самое происходит с концептуальными нейронами и в других областях мозга — и это помогает нам гибко связывать слова и концепции и понимать язык.
Вступление и описание курса "Введение в когнитивные и нейронауки"
В рамках курса вы узнаете о том, что и как изучают нейроученые, психофизиологи, когнитивисты. Как работает психотерапия? Какие есть перспективные нейротехнологии, кроме Neuralink Илона Маска?
Мы обсудим: принципы работы нервной системы и мозга; с чего начать, чтобы настроить корректную работу со своими психическими состояниями; как быть более продуктивным и максимально развить свои когнитивные способности без выгорания.
В рамках вводной лекции мы обсудим организационные вопросы, также - описание различных разделов наук о мозге (когнитивная психология, нейрофизиология, когнитивные науки и другие), общую характеристику нервной системы, отделы мозга, функциональные системы мозга, химическую и физическую передачу информации в нервной системе, психофизиологическую проблему и варианты её решения.
Курс проводят:
Ксения Соловьева - к.б.н., научный сотрудник лаборатории функциональной нейрофизиологии Университета 2035, продакт-менеджер и сооснователь проекта FujiYoga выпускница ФОПФ'2014, золотая медалистка IPhO 2007, экс-продакт Wikium.ru и R&D директор в нейростартапе.
Николай Бушков - аспирант ФБМФ МФТИ, научная работа по теме применения методов искусственного интеллекта для разработки лекарств
Курс рассчитан на студентов технических специальностей, желающих получить базовое представление о работе мозга, когнитивных и психических функциях, современных концепциях нейронауки и психофизиологии.
Создание курса было поддержано Фондом Целевого Капитала МФТИ
"Однажды ...доктор Фредерик Ленц, нейрохирург в больнице Джона Хопкинса, оперировал пациента...". О природе боли.
Отрывок из книги американского хирурга Атула Гаванде "Тяжелый случай. Записки хирурга":
Объяснение боли, господствующее в медицине на протяжении
значительной части ее истории, было выдвинуто Рене Декартом
больше 3 веков назад. Декарт [латинизированное имя - Картезиус] предположил, что боль — чисто физический феномен: повреждение тканей стимулирует определенные нервы, передающие импульс в головной мозг, заставляя его ощущать боль. Это явление подобно дерганию шнура, от которого звенит звонок... Исследования боли в XX в. были посвящены преимущественно поиску и открытию нервных волокон и путей, отвечающих именно за боль. В повседневной практике врачи рассматривают боль с картезианских позиций [т.е. с позиций Декарта] — как физический процесс, признак повреждения тканей. Мы ищем разорвавшийся диск, перелом, инфекцию или опухоль и пытаемся устранить нарушение.
Однако давно очевидны ограничения этого механистического
определения. Например, во время II мировой войны Генри К. Бичер провел классическое исследование среди солдат с тяжелыми ранениями. С картезианской точки зрения тяжесть ранения должна предопределять интенсивность боли, как тумблер регулирует громкость. Тем не менее 58 % мужчин — со сложными переломами, огнестрельными ранами, оторванными конечностями — сообщили, что испытывают слабую боль или вообще не чувствуют ее. Только 27 % настолько страдали от боли, что требовалось медикаментозное обезболивание...Очевидно, что-то, происходившее у них в мозге (по мнению Бичера, эйфория от того, что удалось вернуться из боя живыми), противодействовало сигналам от поврежденных тканей.
В 1965 г. канадский психолог Рональд Мелзак и британский
психолог Патрик Уолл предложили на смену картезианской модели
боли теорию ворот. Мелзак и Уолл утверждали, что, прежде чем достичь головном мозга, сигналы боли проходят через контрольно-пропускной механизм в спинном мозге, который направляет их вниз или вверх. В некоторых случаях эти гипотетические ворота просто не пропускают болевые импульсы к головному мозгу. Учёные скоро обнаружили ворота боли в участке спинного мозга — задних рогах. Эта теория объяснила некоторые загадочные явления, с которыми мы встречаемся едва ли не каждый день: почему, например, становится легче, если потереть больную ногу (трение посылает в задний рог сигналы, закрывающие ворота для ближних болевых импульсов).
Самое поразительное предположение Мелзака и Уолла было в том, что воротами боли управляют не только сигналы от
чувствительных нервов, но и эмоции и другие «вводные данные» от
мозга. Можно сказать, колокольчик не обязательно звонит,
если дернуть шнур. Сам колокольчик — разум — может остановить
сигнал.
Эта теория породила большое количество исследований с
целью изучения возможного влияния на боль таких факторов, как
настроение, пол и убеждения...Ученые измерили болевой
порог и переносимость боли у 52 танцоров британской балетной
труппы и 53 студентов университета с помощью стандартного метода
— холодового прессорного теста. Тест гениально прост (я сам провел
его дома на себе). Подержав руку 2 минуты в воде комнатной
температуры, чтобы создать базовые условия, погружаете руку в
емкость с ледяной водой и следите за секундомером. Замечаете время,
когда появится жжение: это ваш болевой порог. Затем отмечаете время,
когда жжение становится слишком сильным, чтобы дальше держать
руку в воде: это ваша болевая переносимость. Тест всегда
останавливают на 120 сек во избежание повреждения.
Результаты поражали. В среднем студентки сообщали о боли
через 16 сек и вытаскивали руку из ледяной воды на 32-й сек.
Танцовщицы оказались почти в три раза терпеливее по обоим
показателям. Мужчины в обеих группах имели более высокие болевой
порог и переносимость боли, как и ожидалось, поскольку
исследования свидетельствуют, что женщины более восприимчивы к
боли, чем мужчины (за исключением последних нескольких недель
беременности), но разница между мужчинами-танцорами и студентами
оказалась почти столь же велика. Почему? Возможно, из-за психологии
артистов балета — группы, отличающейся самодисциплиной, хорошей
физической формой, духом соперничества, а также высоким уровнем
хронических травм. Личная увлеченность и культурная среда,
способствующая конкуренции, делают их менее чувствительными к
боли, поэтому они могут выступать несмотря на растяжения и
усталостные переломы, и у половины танцоров развиваются
хронические травмы.
Др. учёные показали, что...болевую чувствительность
можно уменьшить путем тренировки. Имеются также поразительные
свидетельства того, что очень простые ментальные установки могут
оказывать мощное воздействие на боль. В одном исследовании с
участием 500 пациентов во время стоматологических процедур
наименьший дискомфорт испытывали те из них, кому был сделан укол
плацебо и внушено, что это обезболивающее. Они страдали от боли не
только меньше тех, кому дали плацебо и ничего не сказали, но и тех,
кому был дан настоящий анестетик без утверждения, что это им
поможет. На сегодня более чем очевидно, что мозг активно участвует в
ощущении боли, что это никоим образом не «колокольчик на шнурке»...Теория ворот была признана как факт...Однако с ней связана одна проблема: она не объясняет многие случаи...
Теория ворот разделяет картезианский взгляд, согласно которому
то, что вы ощущаете как боль, является сигналом от поврежденной
ткани, передающимся через нервы в головной мозг, но добавляет идею
о том, что мозг контролирует ворота, через которые проходит сигнал.
Не всегда в случае хронической боли в спине мы видим повреждение.
(Врачи привыкли считать, что поврежденные диски
вызывают боль... Но результаты МРТ-сканирования спины показали, что у большинства людей, у которых спина не болит, имеются выпячивания дисков. Наоборот, у значительной доли пациентов с хронической болью в спине...структурные повреждения не выявлены.
Даже при наличии повреждений отсутствует связь между их тяжестью
и интенсивностью боли.).
Или рассмотрим, например, фантомные боли. После
ампутации конечности большинство пациентов переживают период
ощущения регулярной некупируемой жгучей болей или судорог, которые ощущаются так, словно конечность до сих пор на месте, но при отсутствии конечности нет и нервных импульсов, которые могли бы
контролироваться воротами. Что же вызывает боль? Ни шнура, ни
язычка не осталось, но колокольчик по-прежнему звенит.
Однажды весной 1994 г. доктор Фредерик Ленц, нейрохирург в
больнице Джона Хопкинса, оперировал пациента с тяжелым тремором
рук. Пациенту, назовем его Марком Тейлором, было всего 36 лет, но в
течение нескольких лет его руки начали так сильно дрожать, что для
него стало немыслимо трудно совершать простейшие действия —
писать, застегнуть рубашку, выпить из стакана, набрать текст на
клавиатуре компьютера (он работал агентом по закупкам). Лекарства
не помогли, и он уже несколько раз терял работу из-за своих проблем.
Отчаянно желая вернуться к нормальной жизни, он согласился на
тонкую процедуру — операцию на мозге, которая уничтожила бы
клетки маленькой структуры, таламуса, о котором было известно, что
он участвует в избыточной стимуляции рук.
У Тейлора была еще одна серьезная проблема: он 17 лет страдал
от тяжелого панического расстройства. По меньшей мере раз в неделю,
на работе за компьютером или дома... его неожиданно скручивала ужасная боль в груди, как при сердечном приступе. Сердце колотилось, в ушах звенело, он начинал задыхаться и испытывал непреодолимую потребность спасаться бегством...
Сначала, по словам Ленца, все шло, как он и предполагал. Он ввел
местное обезболивающее — операция проводится на бодрствующем
пациенте — и сделал небольшой разрез на макушке Тейлора. Затем
осторожно ввел длинный тонкий электрод глубоко внутрь, в таламус.
Ленц все время разговаривал с Тейлором, предлагая высунуть язык,
пошевелить рукой, выполнить десятки других действий,
показывающих, что с ним все в порядке. Опасность операций этого
типа заключается в том, что можно уничтожить не те клетки: клетки
таламуса, ответственные за тремор, расположены всего в доле
миллиметра от клеток, обеспечивающих чувствительность и
двигательную активность. Поэтому перед прижиганием электродом
большего размера хирург должен найти нужные клетки, стимулируя их
слабым электрическим разрядом.
Электрод находился в отделе таламуса Тейлора, обозначенном Ленцем как участок № 19, и он подал на него низкое напряжение. Он уже делал это тысячи раз. Обычно подача разряда на этот участок вызывает у пациентов ощущение покалывания в предплечье, почувствовал его и Тейлор. Ленц подал разряд на прилегающую зону, которую назвал участком № 23, стимуляция которой обычно вызывает слабое, заурядное пощипывание в груди, однако Тейлор ощутил неожиданно сильную боль — такую же, как при панических атаках, а также удушье и внезапное чувство приближающейся смерти, которые всегда их сопровождали. Он закричал и едва не соскочил с операционного стола. Как только Ленц прекратил стимуляцию, ощущение прошло и Тейлор мгновенно успокоился.
Изумленный Ленц снова подал разряд на участок № 23 и наблюдал тот же эффект. Он остановился, извинился перед Тейлором за доставленное неудобство и вернулся к поиску клеток, отвечающих
за тремор. Он прижег их, и операция завершилась успешно.
Пока Ленц заканчивал операцию, его ум лихорадочно работал. До
сих пор он лишь однажды наблюдал подобный эффект у 69-летней
женщины с давней историей трудно купируемой стенокардической
боли, вызываемой не только физической нагрузкой, но и минимальным
физическим усилием, которое не должно было бы сказываться на
сердце. При аналогичной операции Ленц обнаружил, что стимуляция
микроскопической области мозга, обычно приводящая к слабой
болезненности в груди, у этой больной, как и у Тейлора, провоцирует
намного более тяжелую и знакомую боль — ощущение, которое она
описывала как «сильная щемящая боль, вызывающая страх»...Ленц много лет изучал боль и понял, что наблюдал важный эффект. Как он впоследствии отметил в статье, опубликованной в журнале Nature
Medicine, реакция этих 2 пациентов была совершенно не
пропорциональна стимулу.
Области мозга, управляющие обычными ощущениями, оказались аномально сенситивными — склонными активизироваться в ответ на безопасные стимулы. У пациентки боль в груди началась как сигнал о сердечной болезни, но теперь проявляласьв условиях, ничем не напоминающих приближающийся сердечный
приступ. Еще более странным оказался случай Тейлора: появление
боли было связано не с каким-либо телесным повреждением, а с
паническим расстройством, которое считается психологическим
состоянием. Результаты Ленца заставляют предположить, что в
действительности любая боль — «от головы» и что иногда, как в
случае Марка Тейлора... не требуется физического повреждения для возбуждения системы передачи болевых импульсов.
Такова новейшая теория боли. Ее главным создателем является
упомянутый выше Мелзак, отказавшийся в конце 1980-х гг. от теории
ворот и призвавший коллег-скептиков еще раз пересмотреть свои
представления о боли. По его утверждению, имеющиеся данные
должны заставить нас перестать считать боль или любое другое
ощущение сигналом, пассивно «принимаемым» головным мозгом.
Действительно, ранение порождает нервные импульсы, идущие через
ворота спинного мозга, но именно головной мозг формирует телесный
опыт боли и может делать это даже в отсутствии внешних стимулов.
Если безумный ученый не оставит от вас ничего, кроме мозга в банке,
говорит Мелзак, вы все равно сможете чувствовать боль...
Согласно новой теории, боль и другие чувства рассматриваются
как «нейромодули» в мозге, наподобие отдельных компьютерных
программ на жестком диске или дорожек компакт-диска. Если вам
больно, значит, ваш мозг запустил нейромодуль, продуцирующий опыт
боли, как будто кто-то нажал кнопку воспроизведения CD-плеера.
Нажать эту кнопку может очень многое (помимо нейрохирурга,
попавшего в нужный нейрон низковольтовым электрическим
разрядом). В трактовке Мелзака «нейромодуль боли» является не
отдельной анатомической структурой, а сетью, связывающей
компоненты практически всех областей мозга. Входные данные
поступают от чувствительных нервов, центров памяти, настроения и
других центров, выступающих в роли членов комиссии, решающей,
исполнять ли эту мелодию. Если сигналы достигают определенного
порога, то они запускают нейромодуль. Тогда начинает воспроизводиться не одна нота. Боль — это симфония, сложный отклик, включающий не только конкретное ощущение, но и
двигательную активность, изменение эмоционального состояния,
концентрацию внимания, новое воспоминание.
Оказывается, даже простая боль в ушибленном пальце далеко не
так проста. С этой точки зрения сигнал от пальца также проходит
через ворота спинного мозга, но затем соединяется в головном мозге
со множеством других сигналов, порожденных памятью, ожиданиями,
настроением, отвлекающими факторами. В совокупности они могут
активировать нейромодуль «боль в пальце». У некоторых людей,
однако, физические стимулы могут быть нейтрализованы, и они едва
заметят, что ушибли палец. Пока удивляться нечему, но представим —
и это самое радикальное следствие из идей Мелзака, — что тот же
нейромодуль может сработать, вызывая настоящую боль в пальце, хотя
палец не был ушиблен. Нейромодуль, как зона № 23 в мозгу Тейлора, превращается во взведенный спусковой крючок. Теперь практически все может его спустить: прикосновение, страх, внезапное
разочарование, просто воспоминание.
Новая теория боли указала направление в поиске способов фармакологического лечения боли... Для фармакологов «священный Грааль» лечения хронической боли — это таблетка, более эффективная, чем морфин, но без его побочных эффектов: зависимости, вялости и двигательных нарушений. Если источником проблемы является гиперактивная нервная система, следовательно, нужно лекарство, которое погасит эту избыточную активность. 10 лет назад это могло бы показаться странным, но теперь специалисты по боли все чаще прописывают самым трудноизлечимым пациентам
противоэпилептические средства, такие как Карбамазепин и
Габапентин. В конце концов, их действие в этом и заключается: они
перенастраивают клетки головного мозга, меняя их возбудимость. На
данный момент эти лекарства помогают лишь некоторым... но фармацевтические компании активно работают над
новым поколением нейростабилизаторов...
Эти лекарства, однако, в лучшем случае половинчатое решение.
Фундаментальная проблема, стоящая перед исследователями,
заключается в первую очередь в том, как не позволить болевой системе разбалансироваться... Истории, которые люди
рассказывают о возникновении своей хронической боли, обычно
начинаются с первичной травмы...Данные, полученные в клинике Росса и операционной Ленца, свидетельствуют, что предвестники боли находятся где угодно, только не в мышцах и не в костях пациентов...
Не только боль в спине и руке может иметь нефизическую
причину. Исследования показали, что социальные условия играют
преобладающую роль во многих хронических болевых синдромах,
включая синдром хронической тазовой боли, дисфункцию височно-
нижнечелюстного сустава, хроническую тензионную головную боль и
многое другое. Повторюсь, из этого не следует, что пациенты
симулируют боль. Судя по данным Мелзака, боль, причиной которой
является не физическое повреждение, ничуть не менее реальна, чем
боль вследствие повреждения, — для мозга это совершенно одно и то
же. Гуманный подход к хронической боли предполагает изучение ее
социальных, а не только физических слагаемых... Это,
пожалуй, самое удивительное следствие новой теории боли...
Приволжский исследовательский медицинский университет (ПИМУ)
откроет виварий с приматами в деревне Афонино Нижегородской области
Приволжский исследовательский медицинский университет (находится в Нижнем Новгороде) планирует открыть центр приматологии в Афонино в Кстовском районе в 2025 году. Сумма инвестиций в проект не раскрывается.
Центр планируют разместить в здании площадью 4,05 тысячи кв. м. В данный момент оно находится в полуразрушенном состоянии.
Открытие нового научного подразделения вуза позволит отечественным фармпроизводителям проводить доклинические испытания на обезьянах лекарственных препаратов, в т.ч. предназначенных для заболеваний нервной системы. Наличие приматов закроет вопрос о проведении доклинических исследований препаратов для лечения целого ряда заболеваний – онкологических, аутоиммунных, неврологических и других.
Будут проводиться исследования лекарственных препаратов, включая моноклональные антитела. Сообщается, что исследования на обезьянах позволят, в частности, определять общую токсичность, нейротоксичность и репродуктивную токсичность.
Сейчас эти задачи решаются преимущественно через Китай и другие страны, сообщила пресс-служба вуза.
Отмечается, что в структуре ПИМУ уже имеется 5 вивариев, в которых содержатся мыши, крысы, мини пиги, свиньи.
Директор Института фундаментальной медицины ПИМУ д.б.н. Ирина Мухина, в который структурно войдет новый виварий, объяснила необходимость работы именно на приматах:
«Для большинства препаратов на основе моноклональных антител, а также для некоторых других биологических препаратов, чувствительными видами животных являются только приматы. Следовательно, результаты исследований на «привычных» для доклинических испытаний видах животных – мышах и крысах, являются непоказательными и не могут дать корректных данных о безопасности и эффективности препарата при его дальнейшем применении у человека».
В Центре приматологии планируется одновременное содержание до 500 яванских макак.
