Нейрофизика (или нейробиофизика ) — раздел биофизики , занимающийся разработкой и использованием физических методов для получения информации о нервной системе . Нейрофизика — это междисциплинарная наука, использующая физику и объединяющая ее с другими нейронауками для лучшего понимания нервных процессов. Используемые методы включают методы экспериментальной биофизики и другие физические измерения, такие как ЭЭГ [1], в основном для изучения электрических , механических или жидкостных свойств, а также теоретические и вычислительные подходы . [2] Термин «нейрофизика» представляет собой сочетание слов « нейрон » и « физика ».
Среди других примеров, теория эктопических потенциалов действия в нейронах с использованием расширения Крамерса-Мойала [3] и описание физических явлений, измеряемых во время ЭЭГ с использованием дипольного приближения [1], используют нейрофизику для лучшего понимания нейронной активности.
Другой совершенно отличный теоретический подход рассматривает нейроны как обладающие энергией взаимодействия модели Изинга и исследует физические последствия этого для различных топологий дерева Кэли и больших нейронных сетей . В 1981 году точное решение для замкнутого дерева Кэли (с петлями) было получено Питером Бартом для произвольного коэффициента ветвления [4] и было обнаружено, что оно демонстрирует необычное поведение фазового перехода [5] в его локальной вершине и дальнем участке. -корреляции сайтов, предполагающие, что возникновение структурно детерминированных и зависящих от связности кооперативных явлений может играть значительную роль в больших нейронных сетях.
Старые методы регистрации активности мозга с использованием физических явлений уже широко распространены в исследованиях и медицине . Электроэнцефалография (ЭЭГ) использует электрофизиологию для измерения электрической активности мозга. Этот метод, с помощью которого Ганс Бергер впервые зарегистрировал электрическую активность мозга человека в 1924 году, [6] является неинвазивным и использует электроды, помещаемые на кожу головы пациента для регистрации активности мозга. Основанная на том же принципе, электрокортикография (ЭКоГ) требует краниотомии для регистрации электрической активности непосредственно в коре головного мозга .
В последние десятилетия физики придумали технологии и устройства для изображения мозга и его активности. Метод функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ), открытый Сейджи Огавой в 1990 году [7] , выявляет изменения кровотока внутри мозга. Основываясь на существующей методике медицинской визуализации магнитно-резонансной томографии (МРТ) и на связи между нейронной активностью и мозговым кровотоком, этот инструмент позволяет ученым изучать деятельность мозга, когда она запускается контролируемой стимуляцией. Другой метод, двухфотонная микроскопия (2P), изобретен Винфридом Денком (за что он был удостоен премии Brain Prize в 2015 году [8] ), Джоном Х. Стриклером и Уоттом Уэббом в 1990 году в Корнелльском университете , [9] использует флуоресцентные белки и красители для изображения клеток мозга . Этот метод сочетает в себе двухфотонное поглощение, впервые предложенное Марией Гепперт-Майер в 1931 году, с лазерами. Сегодня этот метод широко используется в исследованиях и часто сочетается с генной инженерией для изучения поведения нейронов определенного типа .
Сознание до сих пор остается неизвестным механизмом, и теоретикам еще предстоит выдвинуть физические гипотезы, объясняющие его механизмы. Некоторые теории основываются на идее, что сознание можно объяснить нарушениями в электромагнитном поле головного мозга , генерируемыми потенциалами действия , запускаемыми во время активности мозга. [10] Эти теории называются электромагнитными теориями сознания . Другая группа гипотез предполагает, что сознание можно объяснить не с помощью классической динамики, а с помощью квантовой механики и ее явлений. Эти гипотезы сгруппированы в идею квантового разума и впервые были предложены Юджином Вигнером .
Среди списка премий, которые награждают нейрофизиков за вклад в неврологию и смежные области, наиболее заметной является Премия мозга , последними лауреатами которой являются Адриан Бёрд и Худа Зогби за «их новаторскую работу по картированию и пониманию эпигенетической регуляции мозга и для идентификации гена, вызывающего синдром Ретта». [11] Другими наиболее важными премиями, которые могут быть присуждены нейрофизику, являются: Премия НАН в области нейронаук , Премия Кавли и, в некоторой степени, Нобелевская премия по физиологии и медицине . Можно отметить, что Нобелевская премия была присуждена ученым, разработавшим методы, которые во многом способствовали лучшему пониманию нервной системы, таким как Неер и Сакманн в 1991 году за пластырь-зажим , а также Лаутербур и Мэнсфилд за их работу по магнитному излучению. резонансная томография (МРТ) в 2003 году.