Психофизиология. Мозг и нейрон

Пациент НМ

Пациент Гейдж

Мозг

Выделение структур

Выделение структур

Выделение структур

Chen & Tonegawa, 1997

Josselyn et al., 2015

Janak & Tye, 2015

Основной тезис
«коробочек-блоков» в мозге нет
есть нейроны

Строение нервной системы
теория сети (непрерывная диффузная нервная сеть, отростки непрерывно переходят друг в друга, клетки лишены индивидуальности)
нейронная теория (нейрон – самостоятельная единица)
Рамон-и-Кахаль и Гольджи (1906 г. – Нобель)
неправильная фиксация – фибриллярная теория

Нейронная теория

Нейроны

Нейрон
1012
время жизни нейронов - время жизни индивида
нейроны и глия (сходства и отличия)
отростки
синапсы
электрическая возбудимость
пейсмейкерный потенциал (Арванитаки и Халазонитис, 1955)

Контакты

Наличие отростков

Отростки

Аксоны и дендриты

Black & Baas 1989

Поиски взаимодействий

Нейрон
1012
время жизни нейронов совпадает со временем жизни индивида
нейроны и глия (сходства и отличия)
отростки
синапсы
электрическая возбудимость
пейсмекерный потенциал (Арванитаки и Халазонитис, 1955)

Синапсы

В реальности

Синапсы - места контактов

Контакты

Нейрон
«микросхема, которая перерабатывает поступающую информацию и пересылает ее дальше, чтобы повлиять на другие микросхемы, с которыми она соединена.»
самая сложная клетка, также как и другие клетки, выживает за счет взаимодействий с другими клетками (с химическим супом), НО ЧИСЛО ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ОГРОМНО (координирует всех)

Нейрон
1012
время жизни нейронов совподает со временем жизни индивида
нейроны и глия (сходства и отличия)
отростки
синапсы
электрическая возбудимость
пейсмекерный потенциал (Арванитаки и Халазонитис, 1955)

Элек-трические свойства нейронов

Электрические синапсы

Нейрон
1012
время жизни нейронов совподает со временем жизни индивида
нейроны и глия (сходства и отличия)
отростки
синапсы
электрическая возбудимость
пейсмекерный потенциал (Арванитаки и Халазонитис, 1955)

Потенциал покоя

Пассивное движение ионов
Движение по градиентам концентрации
Движение по электрическому градиенту

Активный транспорт ионов

Множественность событий на мембране
Вероятность генерации ПД

Распространение ПД

Активное обратное распространение ПД

Распространение ПД

Генераторы центральных паттернов

Спонтанная активность

Спонтанная активность

Проблемы
зачем медиаторы?
«Почему имеются разные нейротрансмиттеры, если лишь одного достаточно для того, чтобы опосредовать передачу всех электрических сигналов?»
Э. Кендел
зачем сложнейший внутриклеточный аппарат?

Клетка
«Утверждение, что из клеток, составляющих нас каждая является индивидуальной эгоцентричной жизнью – не просто фраза. Это не просто удачный способ описания. Клетка как компонент тела – не только визуально ограниченный модуль, это отдельная жизнь, сосредоточенная на себе. Она живет собственной жизнью ... Клетка – это отдельная жизнь, и наша жизнь, которая в свою очередь, является отдельной жизнью, всецело состоит из жизней-клеток.»
Sherrington, 1951

«Единство» нейрона
Анатомическое (сначала без связей, затем отростки формируют контакты)
Регенеративное (отражение соматических процессов в самых отдаленных частях аксона)
Функциональное (нейрон обладает «физиологической» индивидуальностью)
Генетическое (онтогенетическое развитие)

Где граница: отдельный организм – неотдельный организм
Аналоги в эволюции

Клетка
«Нервные клетки, как и все другие клетки, ведут индивидуальное существование, они дышат, они ассимилируют, они расходуют свои собственные запасы энергии, они воссоздают утраченные части собственного тела; короче говоря, каждая клетка является самостоятельной живой единицей, осуществляющей более или менее совершенно регуляцию трофических процессов протекающих в ней.»
Sherrington, 1969

Метаболизм клетки

Внутриклеточная жизнь

Активность генома

Экспрессия генов

Экспрессия генов

Метаболизм
«Как любая живая клетка, нервная клетка в своем метаболизме реализует генетическую программу жизненного цикла, нуждаясь в метаболитах, поступающих от других клеток. «Потребности» нейронов индивидуальны, т.к. в них экспрессируются индивидуальные наборы генов.»
В.Б. Швырков

Влияние кровотока
зачем?

3 вида ретроградных влияний
производство факторов (окись азота, арахидоновая кислота), диффундирующих через мембраны к пресинаптическому нейрону
выделение растворимых факторов (нейротрофины), связывающихся с пресинаптическими рецепторами (последние могут транспортироваться к ядру)
модуляция постсинаптич. мембранных белков, активирующих пресинаптические рецепторы

Кризис теоретической нейробиологии
«... множество деталей работы клеток ... невозможно интегрировать в когерентное представление об организации функций мозга.»
О.С. Виноградова

«Потребности» нейрона
«типичная» белковая молекула разрушается в среднем через 2 дня после того, как она была синтезирована
структурные перестройки при научении

Рецепторы
белковые структуры, роль которых состоит в «узнавании» соответствующих молекул и обеспечении последующего развертывания тех или иных метаболических процессов

Происхождение активности нейрона
активность детерминирована метаболическими «потребностями» нейрона и возникает при несоответствии состояния микросреды нейрона и «потребностями»
экзогенная активность (внешним стимулом)
эндогенная активность (пейсмейкер) (многие, если не все)

Активность нейрона

Поведенческая специализация нейрона
связь с демонстрируемым поведением

O’Keefe & Dostrovsky, 1971
АКТИВНОСТЬ ОТДЕЛЬНЫХ НЕЙРОНОВ СВЯЗАНА С ТЕМ, ЧТО ДЕЛАЕТ ОРГАНИЗМ

Специализация нейрона
Ranck, 1973

Нейроны «места»

Связь активности с поведением
Nature, 2005

Связь активности с поведением
Nature, 2005

Связь активности с поведением
Nature, 2005

Анализ активности нейрона
объединение с другими нейронами
«предрезультатная» гистограмма (Д.Г. Шевченко, 1987: нейрон заднего гипоталамуса при захвате пищи)
(Д.Г.Шевченко)

Связь активности с поведением

Ahrens & Keller, 2013

Ahrens & Keller, 2013

«РАБОТА» МОЗГА СКЛАДЫВАЕТСЯ ИЗ АКТИВАЦИЙ ОТДЕЛЬНЫХ НЕЙРОНОВ

Нейроны в поведении
«результаты полученные при анестезии не могут быть экстраполированы на закономерности поведения»
M.O. West, 1998

Шизофрения: разные уровни анализа

Шизофрения

Происхождение активности

Почему нейрон активен
активность детерминирована метаболическими «потребностями» нейрона и возникает при несоответствии состояния микросреды нейрона и «потребностями»
(Chang et al., 1998)