Когнитивная нейробиология — это научная область, которая занимается изучением биологических процессов и аспектов, лежащих в основе познания , [1] с особым акцентом на нейронные связи в мозге, которые участвуют в психических процессах . В нем рассматриваются вопросы о том, как на когнитивную деятельность влияют или контролируют ее нейронные цепи в мозге. Когнитивная нейробиология является отраслью нейробиологии и психологии , пересекающейся с такими дисциплинами, как поведенческая нейробиология , когнитивная психология , физиологическая психология и аффективная нейробиология . [2] Когнитивная нейробиология опирается на теории когнитивной науки в сочетании с данными нейробиологии и компьютерного моделирования . [2]
Части мозга играют важную роль в этой области. Нейроны играют наиболее важную роль, поскольку основная задача — установить понимание когнитивных функций с нейронной точки зрения, а также с точки зрения различных долей коры головного мозга .
Методы, используемые в когнитивной нейробиологии, включают экспериментальные процедуры психофизики и когнитивной психологии , функциональную нейровизуализацию , электрофизиологию , когнитивную геномику и поведенческую генетику .
Исследования пациентов с когнитивным дефицитом вследствие поражений головного мозга составляют важный аспект когнитивной нейробиологии. Повреждения поврежденного мозга представляют собой аналогичную отправную точку для здорового и полностью функционирующего мозга. Эти повреждения изменяют нейронные цепи в мозге и вызывают сбои в основных когнитивных процессах, таких как память или обучение . Людей с нарушениями обучаемости и подобными повреждениями можно сравнить с тем, как функционируют здоровые нейронные цепи, и, возможно, сделать выводы об основе затронутых когнитивных процессов. Некоторые примеры нарушений обучаемости в мозге включают места в области Вернике, левой части височной доли и области Брокка, близкой к лобной доле. [3]
Кроме того, когнитивные способности, основанные на развитии мозга, изучаются и исследуются в рамках области когнитивной нейробиологии развития . Это показывает развитие мозга с течением времени, анализируя различия и придумывая возможные причины этих различий.
Теоретические подходы включают вычислительную нейробиологию и когнитивную психологию .
Когнитивная нейробиология — это междисциплинарная область исследований, возникшая на базе нейробиологии и психологии . [4] В этих дисциплинах есть несколько этапов, которые изменили подход исследователей к своим исследованиям и привели к тому, что эта область стала полностью признанной.
Хотя задача когнитивной нейробиологии состоит в описании нейронных механизмов, связанных с разумом, исторически она развивалась путем исследования того, как определенная область мозга поддерживает данную умственную способность. Однако первые попытки разделить мозг оказались проблематичными. Движение френологов не смогло обеспечить научное обоснование своих теорий и с тех пор было отвергнуто. Представление совокупного поля, означающее, что все области мозга участвуют во всех проявлениях поведения [5], также было отвергнуто в результате картирования мозга, которое началось с экспериментов Хитцига и Фрича [6] и в конечном итоге развилось с помощью таких методов, как позитронный эмиссионная томография (ПЭТ) и функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ). [7] Гештальт-теория , нейропсихология и когнитивная революция стали важными поворотными моментами в создании когнитивной нейробиологии как области, объединяющей идеи и методы, которые позволили исследователям установить больше связей между поведением и его нейронными субстратами.
Философов всегда интересовал разум: «идея о том, что объяснение явления предполагает понимание механизма, ответственного за него, имеет глубокие корни в истории философии от атомных теорий в V веке до нашей эры до ее возрождения в 17 и 18 веках в трудах Галилея, Декарта и Бойля. Среди прочего, это идея Декарта о том, что машины, построенные людьми, могут служить моделями научного объяснения». [8] Например, Аристотель считал, что мозг — это система охлаждения тела, а способность к разуму находится в сердце . Было высказано предположение, что первым человеком, который поверил в обратное, был римский врач Гален во втором веке нашей эры, который заявил, что мозг является источником умственной деятельности [9] , хотя это также было приписано Алкмеону . [10] Однако Гален считал, что личность и эмоции генерируются не мозгом, а другими органами. Андреас Везалий , анатом и врач, был первым, кто поверил, что мозг и нервная система являются центром разума и эмоций. [11] Психология , важная область когнитивной нейробиологии, возникла из философских рассуждений о разуме. [12]
.jpg/1280px-Phrenology_journal_(1848).jpg)
Одним из предшественников когнитивной нейробиологии была френология — псевдонаучный подход , утверждавший, что поведение можно определять по форме черепа . В начале 19 века Франц Йозеф Галл и И. Г. Спурцхайм полагали, что человеческий мозг локализован примерно в 35 различных отделах. В своей книге «Анатомия и физиология нервной системы в целом и мозга в частности» Галл утверждал, что более крупный выступ в одной из этих областей означает, что этот участок мозга используется этим человеком чаще. Эта теория привлекла значительное внимание общественности, что привело к публикации френологических журналов и созданию френометров, которые измеряли шишки на голове человека. Хотя френология оставалась неотъемлемой частью ярмарок и карнавалов, она не получила широкого признания в научном сообществе. [13] Основная критика френологии заключается в том, что исследователи не смогли проверить теории эмпирически. [4]
Локализационистская точка зрения была связана с локализацией умственных способностей в определенных областях мозга, а не с тем, каковы были характеристики способностей и как их измерить. [4] Исследования, проведенные в Европе, например, исследования Джона Хьюлингса Джексона , подтвердили эту точку зрения. Джексон изучал пациентов с повреждением головного мозга , особенно больных эпилепсией . Он обнаружил, что пациенты с эпилепсией часто совершают одни и те же клонические и тонические движения мышц во время приступов, что заставило Джексона поверить в то, что они каждый раз вызываются активностью в одном и том же месте мозга. Джексон предположил, что определенные функции локализованы в определенных областях мозга, [14] что имело решающее значение для будущего понимания долей мозга .
Согласно совокупному полю зрения, все области мозга участвуют в каждой психической функции. [5]
Пьер Флуранс , французский психолог-экспериментатор, бросил вызов локализационистской точке зрения, используя эксперименты на животных. [4] Он обнаружил, что удаление мозжечка (мозга) у кроликов и голубей влияет на их чувство мышечной координации и что все когнитивные функции нарушаются у голубей при удалении полушарий головного мозга . Из этого он пришел к выводу, что кора головного мозга , мозжечок и ствол мозга функционируют вместе как единое целое. [15] Его подход подвергся критике на том основании, что тесты не были достаточно чувствительными, чтобы выявить избирательные дефекты, если бы они присутствовали. [4]
Возможно, первые серьезные попытки локализовать психические функции в определенных участках мозга были предприняты Брока и Вернике . В основном это было достигнуто за счет изучения влияния травм различных частей мозга на психологические функции. [9] В 1861 году французский невролог Поль Брока встретил человека с ограниченными возможностями, который понимал язык, но не мог говорить. Мужчина мог издавать только звук «тан». Позже выяснилось, что у мужчины была повреждена область левой лобной доли, известная теперь как зона Брока . Карл Вернике, немецкий невролог , нашел пациента, который мог говорить бегло, но бессмысленно. Пациент перенес инсульт и не мог понимать устную и письменную речь. У этого пациента было поражение в области соединения левой теменной и височной долей, теперь известной как зона Вернике . Эти случаи, свидетельствующие о том, что поражения вызывают специфические изменения в поведении, решительно подтверждают локализационистскую точку зрения. Кроме того, афазия — это расстройство обучения, которое также было обнаружено Полем Брока. По данным Медицинской школы Джонса Хопкинса, афазия — это языковое расстройство, вызванное повреждением определенной области мозга, которая контролирует выражение и понимание речи. [16] Это часто может привести к тому, что человек произносит слова без смысла, известные как «словесный салат» [17]
В 1870 году немецкие врачи Эдуард Хитциг и Густав Фрич опубликовали свои выводы о поведении животных. Хитциг и Фрич пропускали электрический ток через кору головного мозга собаки, заставляя сокращаться разные мышцы в зависимости от того, какие области мозга подвергались электрической стимуляции. Это привело к предположению, что отдельные функции локализованы в определенных областях мозга, а не в головном мозге в целом, как предполагает совокупное представление поля. [6] Бродманн также был важной фигурой в картировании мозга; его эксперименты, основанные на методах окрашивания тканей Франца Ниссля, разделили мозг на пятьдесят две области.
В начале 20-го века взгляды в Америке характеризовались прагматизмом, что привело к предпочтению бихевиоризма как основного подхода в психологии . Дж. Б. Уотсон был ключевой фигурой в своем подходе «стимул-реакция». Проводя эксперименты на животных, он стремился получить возможность предсказывать и контролировать поведение. Бихевиоризм в конечном итоге потерпел неудачу, потому что он не мог обеспечить реалистичную психологию человеческих действий и мыслей – он сосредоточился в первую очередь на ассоциациях стимул-реакция в ущерб объяснению таких явлений, как мышление и воображение. Это привело к тому, что часто называют «когнитивной революцией». [18]
В начале 20 века Сантьяго Рамон-и-Кахаль и Камилло Гольджи начали работать над структурой нейрона. Гольджи разработал метод окрашивания серебром , который мог полностью окрасить несколько клеток в определенной области, что привело его к мысли, что нейроны напрямую связаны друг с другом в одной цитоплазме. Кахаль оспорил эту точку зрения после того, как окрасил участки мозга, в которых было меньше миелина, и обнаружил, что нейроны представляют собой отдельные клетки. Кахал также обнаружил, что клетки передают электрические сигналы по нейрону только в одном направлении. И Гольджи, и Кахаль были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1906 году за работу по доктрине нейронов. [19]
Некоторые открытия 20-го века продолжали продвигать эту область, такие как открытие столбцов доминирования глаз , запись отдельных нервных клеток у животных и координация движений глаз и головы. Экспериментальная психология также сыграла важную роль в создании когнитивной нейробиологии. Некоторыми особенно важными результатами были демонстрация того, что некоторые задачи выполняются посредством дискретных этапов обработки, изучение внимания [20] [21] и представление о том, что поведенческие данные сами по себе не предоставляют достаточно информации для объяснения психических процессов. В результате некоторые психологи-экспериментаторы начали исследовать нейронные основы поведения. Уайлдер Пенфилд создал карты первичных сенсорных и моторных областей мозга, стимулируя кору пациентов во время операции. Работа Сперри и Газзаниги над пациентами с расщеплением мозга в 1950-х годах также сыграла важную роль в прогрессе в этой области. [9] Сам термин «когнитивная нейробиология» был придуман Газзанигой и когнитивным психологом Джорджем Армитиджем Миллером в 1976 году, когда они ехали в такси. [22]
Новые технологии картирования мозга, в частности фМРТ и ПЭТ , позволили исследователям исследовать экспериментальные стратегии когнитивной психологии , наблюдая за работой мозга. Хотя это часто считают новым методом (большая часть технологий появилась относительно недавно), основной принцип заложен еще в 1878 году, когда кровоток впервые был связан с функцией мозга. [7] Анджело Моссо , итальянский психолог 19-го века, отслеживал пульсации мозга взрослых через нейрохирургически созданные костные дефекты в черепах пациентов. Он отметил, что когда испытуемые выполняли такие задачи, как математические расчеты, пульсации мозга локально усиливались. Такие наблюдения привели Моссо к выводу, что кровоток мозга зависит от его функции. [7]
11 сентября 1956 года в Массачусетском технологическом институте состоялась масштабная встреча когнитивистов . Джордж А. Миллер представил свою статью « Магическое число семь, плюс-минус два » [23] , а Ноам Хомский и Ньюэлл и Саймон представили свои открытия в области информатики . Ульрик Нейссер прокомментировал многие открытия, сделанные на этой встрече, в своей книге «Когнитивная психология» 1967 года . Термин «психология» пришел в упадок в 1950-х и 1960-х годах, в результате чего эту область стали называть «когнитивной наукой». Бихевиористы, такие как Миллер, начали концентрироваться на репрезентации языка, а не на общем поведении. Дэвид Марр пришел к выводу, что любой когнитивный процесс следует понимать на трех уровнях анализа. Эти уровни включают вычислительный, алгоритмический/представительный и физический уровни анализа. [24]
До 1980-х годов взаимодействие между нейробиологией и когнитивной наукой было скудным. [25] Когнитивная нейробиология начала интегрировать недавно заложенную теоретическую основу когнитивной науки, возникшую между 1950-ми и 1960-ми годами, с подходами экспериментальной психологии, нейропсихологии и нейробиологии. (Нейронаука не была признана как единая дисциплина до 1971 года [26] ). Говорят, что в конце 1970-х годов нейробиолог Майкл С. Газзанига и когнитивный психолог Джордж А. Миллер впервые ввели термин «когнитивная нейробиология». [27] В самом конце 20-го века появились новые технологии, которые сейчас являются основой методологии когнитивной нейробиологии, включая ТМС (1985) и фМРТ (1991). Более ранние методы, используемые в когнитивной нейробиологии, включают ЭЭГ (ЭЭГ человека, 1920 г.) и МЭГ (1968 г.). Иногда когнитивные нейробиологи используют другие методы визуализации мозга, такие как ПЭТ и ОФЭКТ . Будущим методом нейробиологии является NIRS , который использует поглощение света для расчета изменений окси- и дезоксигемоглобина в областях коры. У некоторых животных можно использовать единичную запись . Другие методы включают микронейрографию , лицевую ЭМГ и отслеживание глаз . Интегративная нейронаука пытается консолидировать данные в базах данных и сформировать единые описательные модели из различных областей и масштабов: биологии, психологии, анатомии и клинической практики. [28]
Теория адаптивного резонанса ( АРТ ) — это теория когнитивной нейробиологии, разработанная Гейл Карпентер и Стивеном Гроссбергом в конце 1970-х годов по аспектам того, как мозг обрабатывает информацию . Он описывает ряд моделей нейронных сетей , которые используют контролируемые и неконтролируемые методы обучения и решают такие проблемы, как распознавание и прогнозирование образов. [29]
В 2014 году Станислас Деэн , Джакомо Риццолатти и Тревор Роббинс были удостоены премии Brain Prize «за новаторские исследования высших механизмов мозга, лежащих в основе таких сложных функций человека, как грамотность, умение считать, мотивированное поведение и социальное познание, а также за их усилия понять когнитивные и социальные процессы». поведенческие расстройства». [30] Бренда Милнер , Маркус Райхл и Джон О'Киф получили премию Кавли в области нейробиологии «за открытие специализированных мозговых сетей для памяти и познания» [31], а О'Киф разделил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за ту же самую премию. год с Мэй-Бритт Мозер и Эдвардом Мозером «за открытие клеток, составляющих систему позиционирования в мозге». [32]
В 2017 году Вольфрам Шульц , Питер Даян и Рэй Долан были удостоены премии Brain Prize «за междисциплинарный анализ механизмов мозга, связывающих обучение с вознаграждением, что имеет далеко идущие последствия для понимания человеческого поведения, включая нарушения принятия решений в такие состояния, как азартные игры, наркомания, компульсивное поведение и шизофрения»., [33]
Недавно фокус исследований расширился от локализации областей мозга для выполнения определенных функций во взрослом мозге с использованием единой технологии. Исследования расходились в нескольких направлениях: изучение взаимодействия между различными областями мозга, использование множества технологий и подходов для понимания функций мозга, а также использование вычислительных подходов. [34] Достижения в области неинвазивной функциональной нейровизуализации и связанных с ней методов анализа данных также позволили использовать весьма натуралистичные стимулы и задачи, такие как художественные фильмы, изображающие социальные взаимодействия, в исследованиях когнитивной нейробиологии. [35]
Еще одна недавняя тенденция в когнитивной нейробиологии — использование оптогенетики для изучения функций цепей и их поведенческих последствий. [36]
К экспериментальным методам относятся:
Связанные викикниги
