Когнитивная нейронаука — это научная область, которая занимается изучением биологических процессов и аспектов, лежащих в основе познания , [1] с особым акцентом на нейронных связях в мозге, которые участвуют в психических процессах . Она рассматривает вопросы о том, как когнитивная деятельность зависит или контролируется нейронными цепями в мозге. Когнитивная нейронаука — это раздел как нейронауки , так и психологии , пересекающийся с такими дисциплинами, как поведенческая нейронаука , когнитивная психология , физиологическая психология и аффективная нейронаука . [2] Когнитивная нейронаука опирается на теории когнитивной науки в сочетании с доказательствами из нейробиологии и вычислительного моделирования . [2]
Части мозга играют важную роль в этой области. Нейроны играют самую важную роль, поскольку главное — установить понимание познания с нейронной точки зрения, наряду с различными долями коры головного мозга .
Методы, используемые в когнитивной нейронауке, включают экспериментальные процедуры из психофизики и когнитивной психологии , функциональную нейровизуализацию , электрофизиологию , когнитивную геномику и поведенческую генетику .
Исследования пациентов с когнитивными нарушениями из-за поражений мозга являются важным аспектом когнитивной нейронауки. Повреждения в пораженном мозге обеспечивают сопоставимую отправную точку в отношении здорового и полностью функционирующего мозга. Эти повреждения изменяют нейронные цепи в мозге и вызывают сбои в его работе во время основных когнитивных процессов, таких как память или обучение . У людей есть нарушения обучения, и такие повреждения можно сравнить с тем, как функционируют здоровые нейронные цепи, и, возможно, сделать выводы об основе затронутых когнитивных процессов. Некоторые примеры нарушений обучения в мозге включают области в области Вернике , левую сторону височной доли и область Брока , близкую к лобной доле. [3]
Кроме того, когнитивные способности, основанные на развитии мозга, изучаются и исследуются в рамках подотрасли когнитивной нейронауки развития . Это показывает развитие мозга с течением времени, анализируя различия и придумывая возможные причины этих различий.
Теоретические подходы включают вычислительную нейронауку и когнитивную психологию .
Когнитивная нейронаука — это междисциплинарная область исследований, которая возникла из нейронауки 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 устоявшейся.
Хотя задачей когнитивной нейронауки является описание нейронных механизмов, связанных с разумом, исторически она прогрессировала, исследуя, как определенная область мозга поддерживает данную умственную способность. Однако ранние попытки подразделить мозг оказались проблематичными. Движение френологов не смогло предоставить научную основу для своих теорий и с тех пор было отвергнуто. Агрегированное поле зрения, означающее, что все области мозга участвуют во всем поведении, [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 позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ). [7] Гештальт-теория , нейропсихология и когнитивная революция были основными поворотными моментами в создании когнитивной нейронауки как области, объединив идеи и методы, которые позволили исследователям установить больше связей между поведением и его нейронными субстратами.
Философы всегда интересовались разумом: «идея о том, что объяснение явления включает в себя понимание механизма, ответственного за него, имеет глубокие корни в истории философии от атомных теорий в V веке до нашей эры до ее возрождения в XVII и XVIII веках в работах Галилея, Декарта и Бойля. Среди прочих, это идея Декарта о том, что машины, которые строят люди, могут работать как модели научного объяснения». [8] Например, Аристотель считал, что мозг является системой охлаждения тела, а способность к интеллекту находится в сердце . Было высказано предположение, что первым человеком, который считал иначе, был римский врач Гален во II 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 , основная область когнитивной нейронауки, возникла из философских рассуждений о разуме. [12]
.jpg/1280px-Phrenology_journal_(1848).jpg)
Одним из предшественников когнитивной нейронауки была френология , псевдонаучный подход, который утверждал, что поведение может быть определено формой черепа . В начале 19 века Франц Йозеф Галль и Дж. Г. Шпурцхайм считали, что человеческий мозг разделен примерно на 35 различных отделов. В своей книге «Анатомия и физиология нервной системы в целом и мозга в частности» Галль утверждал, что более крупный бугорок в одной из этих областей означает, что эта область мозга используется этим человеком чаще. Эта теория привлекла значительное внимание общественности, что привело к публикации журналов по френологии и созданию френометров, которые измеряли бугорки 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 могли проверять теории эмпирически. [4]
Локализационный взгляд был связан с тем, что умственные способности локализуются в определенных областях мозга, а не с тем, каковы характеристики способностей и как их измерить. [4] Исследования, проведенные в Европе, такие как исследования Джона Хьюлингса Джексона , подтвердили эту точку зрения. Джексон изучал пациентов с повреждениями мозга , особенно больных эпилепсией . Он обнаружил, что пациенты с эпилепсией часто совершали одни и те же клонические и тонические движения мышц во время своих припадков, что привело Джексона к мысли, что они должны быть вызваны активностью в одном и том же месте мозга каждый раз. Джексон предположил, что определенные функции локализуются в определенных областях мозга, [14] что имело решающее значение для будущего понимания долей мозга .
Согласно совокупному полевому обзору, все области мозга участвуют в каждой психической функции. [5]
Пьер Флуренс , французский экспериментальный психолог, бросил вызов локализационистскому взгляду, используя эксперименты на животных. [4] Он обнаружил, что удаление мозжечка (мозга) у кроликов и голубей повлияло на их чувство мышечной координации, и что все когнитивные функции были нарушены у голубей, когда были удалены полушария мозга . Из этого он сделал вывод, что кора головного мозга , мозжечок и ствол мозга функционировали вместе как единое целое. [15] Его подход подвергся критике на том основании, что тесты были недостаточно чувствительны, чтобы заметить избирательные дефициты, если бы они присутствовали. [4]
Возможно, первые серьезные попытки локализовать психические функции в определенных местах мозга были предприняты Брока и Вернике . Это было достигнуто в основном путем изучения эффектов 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 только произносить звук «тан». Позже было обнаружено, что у мужчины была повреждена область левой лобной доли, которая теперь известна как зона Брока . Карл Вернике, немецкий невролог , нашел пациента, который мог говорить бегло, но бессмысленно. Пациент стал жертвой инсульта и не мог понимать устную или письменную речь. У этого пациента было поражение в области, где встречаются левая теменная и височная доли, которая теперь известна как зона Вернике . Эти случаи, которые предполагали, что поражения вызывают определенные изменения в поведении, решительно подтверждали точку зрения локализационистов. Кроме того, афазия — это расстройство обучения, которое также было открыто Полом Брока. Согласно 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 говорит слова без смысла, что называется «словесным салатом» [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 различные мышцы сокращаться в зависимости от того, какие области мозга подвергались электрической стимуляции. Это привело к предположению, что отдельные функции локализованы в определенных областях мозга, а не во всем мозге, как предполагает совокупное поле зрения. [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 установки в Америке характеризовались прагматизмом, что привело к предпочтению бихевиоризма как основного подхода в психологии . Дж. Б. Уотсон был ключевой фигурой со своим подходом стимул-реакция. Проводя эксперименты на животных, он стремился иметь возможность предсказывать и контролировать поведение. Бихевиоризм в конечном итоге потерпел неудачу, потому что он не мог обеспечить реалистичную психологию человеческих действий и мыслей – он фокусировался в первую очередь на ассоциациях стимул-реакция за счет объяснения 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 убеждению, что нейроны напрямую связаны друг с другом в одной цитоплазме. Кахаль оспорил эту точку зрения, окрасив области мозга, в которых было меньше миелина, и обнаружив, что нейроны являются дискретными клетками. Кахаль 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 эту работу по доктрине нейронов. [19]
Несколько открытий в 20 веке продолжали продвигать эту область, такие как открытие колонок доминирования глаз , регистрация отдельных нервных клеток у животных и координация движений глаз и головы. Экспериментальная психология также сыграла важную роль в основании когнитивной нейронауки. Некоторые особенно важные результаты были демонстрацией того, что некоторые задачи выполняются посредством дискретных этапов обработки, изучением внимания, [20] [21] и представлением о том, что поведенческие данные сами по себе не предоставляют достаточно информации для объяснения психических процессов. В результате некоторые экспериментальные психологи начали исследовать нейронные основы поведения. Уайлдер Пенфилд создал карты первичных сенсорных и двигательных областей мозга, стимулируя кору пациентов во время операции. Работа Сперри и Газзаниги над пациентами с разделенным мозгом в 1950-х годах также сыграла важную роль в прогрессе этой области. [9] Сам термин когнитивная нейронаука был придуман Газзанигой и когнитивным психологом Джорджем Армитиджем Миллером во время совместной поездки в такси в 1976 году. [22]
Новые технологии картирования мозга, в частности фМРТ и ПЭТ , позволили исследователям исследовать экспериментальные стратегии когнитивной психологии, наблюдая за работой мозга. Хотя это часто считается новым методом (большинство технологий появились относительно недавно), основной принцип восходит к 1878 году, когда кровоток впервые связали с работой мозга. [7] Анджело Моссо , итальянский психолог 19 века, отслеживал пульсации взрослого мозга с помощью нейрохирургически созданных костных дефектов в черепах пациентов. Он отметил, что когда субъекты занимались такими задачами, как математические вычисления, пульсации мозга локально усиливались. Такие наблюдения привели Моссо к выводу, что кровоток мозга следовал за функцией. [7]
11 сентября 1956 года в Массачусетском технологическом институте состоялась масштабная встреча когнитивистов . Джордж А. Миллер представил свою работу « Магическое число семь, плюс или минус два » [23] , в то время как Ноам Хомский и Ньюэлл и Саймон представили свои выводы по информатике . Ульрик Нейссер прокомментировал многие из результатов этой встречи в своей книге 1967 года «Когнитивная психология» . Термин «психология» ослабевал в 1950-х и 1960-х годах, в результате чего эта область стала называться «когнитивной наукой». Такие бихевиористы, как Миллер, начали фокусироваться на представлении языка, а не на общем поведении. Дэвид Марр пришел к выводу, что следует понимать любой когнитивный процесс на трех уровнях анализа. Эти уровни включают вычислительный, алгоритмический/репрезентативный и физический уровни анализа. [24]
До 1980-х годов взаимодействие между нейронаукой и когнитивной наукой было скудным. [25] Когнитивная нейронаука начала интегрировать недавно заложенную теоретическую основу в когнитивной науке, которая появилась между 1950-ми и 1960-ми годами, с подходами в экспериментальной психологии, нейропсихологии и нейронауке. (Нейронаука не была установлена как единая дисциплина до 1971 года [26] ). Говорят, что в конце 1970-х годов нейробиолог Майкл С. Газзанига и когнитивный психолог Джордж А. Миллер первыми ввели термин «когнитивная нейронаука». [27] В самом конце 20-го века появились новые технологии, которые сейчас являются основой методологии когнитивной нейронауки, включая ТМС (1985) и фМРТ (1991). Более ранние методы, используемые в когнитивной нейронауке, включают ЭЭГ (человеческая ЭЭГ 1920) и МЭГ (1968). Иногда когнитивные нейробиологи используют другие методы визуализации мозга, такие как ПЭТ и SPECT . Новейшей технологией в нейронауке является NIRS , которая использует поглощение света для расчета изменений окси- и дезоксигемоглобина в корковых областях. У некоторых животных может использоваться одноблочная запись . Другие методы включают микронейрографию , лицевую ЭМГ и отслеживание глаз . Интегративная нейронаука пытается объединить данные в базах данных и сформировать унифицированные описательные модели из различных областей и масштабов: биологии, психологии, анатомии и клинической практики. [28]
Теория адаптивного резонанса ( ART ) — это когнитивная теория нейронауки, разработанная Гейл Карпентер и Стивеном Гроссбергом в конце 1970-х годов по аспектам того, как мозг обрабатывает информацию . Она описывает ряд моделей искусственных нейронных сетей , которые используют контролируемые и неконтролируемые методы обучения и решают такие проблемы, как распознавание образов и прогнозирование. [29]
В 2014 году Станислас Дехаен , Джакомо Риццолатти и Тревор Роббинс были награждены премией Brain Prize «за их новаторские исследования высших мозговых механизмов, лежащих в основе таких сложных человеческих функций, как грамотность, счет, мотивированное поведение и социальное познание, а также за их усилия по пониманию когнитивных и поведенческих расстройств». [30] Бренда Милнер , Маркус Райхл и Джон О'Киф получили премию Кавли по нейронауке «за открытие специализированных мозговых сетей для памяти и познания» [31], а О'Киф разделил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в том же году с Мэй-Бритт Мозер и Эдвардом Мозером «за их открытия клеток, которые составляют систему позиционирования в мозге». [32]
В 2017 году Вольфрам Шульц , Питер Даян и Рэй Долан были награждены премией Brain Prize «за междисциплинарный анализ механизмов мозга, связывающих обучение с вознаграждением, что имеет далеко идущие последствия для понимания поведения человека, включая нарушения принятия решений при таких состояниях, как азартные игры, наркомания, компульсивное поведение и шизофрения». [33]
Недавно фокус исследований расширился от локализации областей мозга для определенных функций во взрослом мозге с использованием одной технологии. Исследования расходятся в нескольких различных направлениях: изучение взаимодействий между различными областями мозга, использование нескольких технологий и подходов для понимания функций мозга и использование вычислительных подходов. [34] Достижения в области неинвазивной функциональной нейровизуализации и связанных с ней методов анализа данных также сделали возможным использование высоконатуралистических стимулов и задач, таких как художественные фильмы, изображающие социальные взаимодействия, в когнитивных нейробиологических исследованиях. [35]
Еще одной недавней тенденцией в когнитивной нейронауке является использование оптогенетики для изучения функций нейронных цепей и их поведенческих последствий. [36]
Экспериментальные методы включают:
Связанные Викиучебники
