Neuronauka - Neuroscience

Rysunek Santiago Ramóna y Cajala (1899) przedstawiający neurony w móżdżku gołębi

Neuroscience (lub neurobiologii ) to badania naukowe na układ nerwowy . Jest to multidyscyplinarny nauka, która łączy fizjologia , anatomia , biologia molekularna , biologia rozwoju , cytologia , informatyka i modelowanie matematyczne , aby zrozumieć podstawowe i wschodzących właściwości neuronów , komórek glejowych i obwodów neuronalnych . Rozumienie biologicznych podstaw uczenia się , pamięci , zachowania , percepcji i świadomości zostało opisane przez Erica Kandela jako „ostateczne wyzwanie” nauk biologicznych .

Zakres neuronauki z czasem poszerzył się, obejmując różne podejścia stosowane do badania układu nerwowego w różnych skalach. Techniki stosowane przez neuronaukowców ogromnie się rozwinęły, od badań molekularnych i komórkowych pojedynczych neuronów po obrazowanie zadań czuciowych , motorycznych i poznawczych w mózgu .

Historia

Ilustracja z Anatomii Graya (1918) przedstawiająca boczny widok ludzkiego mózgu , przedstawiający hipokamp i inne cechy neuroanatomiczne

Najwcześniejsze badania nad układem nerwowym pochodzą ze starożytnego Egiptu . Trepanacja , chirurgiczna praktyka wiercenia lub wydrapywania dziury w czaszce w celu leczenia urazów głowy lub zaburzeń psychicznych lub złagodzenia ciśnienia czaszkowego, została po raz pierwszy odnotowana w okresie neolitu . Rękopisy datowane na 1700 rpne wskazują, że Egipcjanie posiadali pewną wiedzę na temat objawów uszkodzenia mózgu .

Wczesne poglądy na temat funkcji mózgu uważały go za swego rodzaju „wypychanie czaszkowe”. W Egipcie , począwszy od późnego Państwa Środka , mózg był regularnie usuwany w ramach przygotowań do mumifikacji . Wierzono wówczas, że serce jest siedzibą inteligencji. Według Herodota , pierwszym krokiem mumifikacji było „wziąć krzywy kawałek żelaza, a wraz z nim wyciągnąć mózg przez nozdrza, pozbywając się w ten sposób części, podczas gdy czaszkę oczyszcza się z reszty przez płukanie lekami. "

Pogląd, że serce jest źródłem świadomości, nie był kwestionowany aż do czasów greckiego lekarza Hipokratesa . Uważał, że mózg jest zaangażowany nie tylko w odczuwanie – ponieważ większość wyspecjalizowanych narządów (np. oczy, uszy, język) znajduje się w głowie w pobliżu mózgu – ale był także siedliskiem inteligencji. Platon spekulował również, że mózg jest siedzibą racjonalnej części duszy. Arystoteles uważał jednak, że serce jest ośrodkiem inteligencji i że mózg reguluje ilość ciepła z serca. Pogląd ten był powszechnie akceptowany do czasu, gdy rzymski lekarz Galen , zwolennik Hipokratesa i lekarz rzymskich gladiatorów , zauważył, że jego pacjenci tracili zdolności umysłowe, gdy doznali uszkodzenia mózgu.

Abulcasis , Averroes , Avicenna , Avenzoar i Maimonides , aktywni w średniowiecznym świecie muzułmańskim, opisali szereg problemów medycznych związanych z mózgiem. W renesansowej Europie , Vesalius (1514-1564), René Descartes (1596-1650), Thomas Willis (1621-1675) oraz Jan Swammerdam (1637-1680) również kilka składek na neurologii.

Golgiego plam pierwszy pozostawiono do wizualizacji poszczególnych neuronów.

Pionierska praca Luigiego Galvaniego z końca XVIII wieku przygotowała grunt pod badanie pobudliwości elektrycznej mięśni i neuronów. W pierwszej połowie XIX wieku Jean Pierre Flourens był pionierem eksperymentalnej metody przeprowadzania zlokalizowanych uszkodzeń mózgu u żywych zwierząt, opisując ich wpływ na motorykę, wrażliwość i zachowanie. W 1843 Emil du Bois-Reymond zademonstrował elektryczną naturę sygnału nerwowego, którego prędkość zaczął mierzyć Hermann von Helmholtz , aw 1875 r. Richard Caton odkrył zjawiska elektryczne w półkulach mózgowych królików i małp. Adolf Beck opublikował w 1890 r. podobne obserwacje spontanicznej aktywności elektrycznej mózgu królików i psów. Badania mózgu stały się bardziej wyrafinowane po wynalezieniu mikroskopu i opracowaniu procedury barwienia przez Camilla Golgiego pod koniec lat 90. XIX wieku. W procedurze użyto soli chromianu srebra do ujawnienia skomplikowanych struktur poszczególnych neuronów . Jego technika została wykorzystana przez Santiago Ramón y Cajal i doprowadziła do powstania doktryny neuronowej , hipotezy, że jednostką funkcjonalną mózgu jest neuron. Golgi i Ramón y Cajal otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny w 1906 roku za obszerne obserwacje, opisy i kategoryzację neuronów w mózgu.

Równolegle z tymi badaniami praca Paula Broca z pacjentami z uszkodzonym mózgiem sugerowała, że ​​pewne obszary mózgu są odpowiedzialne za pewne funkcje. W tamtym czasie odkrycia Broki były postrzegane jako potwierdzenie teorii Franza Josepha Galla , że język jest zlokalizowany i że pewne funkcje psychologiczne są zlokalizowane w określonych obszarach kory mózgowej . Lokalizacja funkcji hipotezy poparte obserwacjami padaczkowych u pacjentów prowadzonych przez John Hughlings Jackson , który prawidłowo wywnioskować organizację kory ruchowej , obserwując postęp napadów przez ciało. Carl Wernicke rozwinął teorię specjalizacji określonych struktur mózgowych w rozumieniu i produkcji języka. Współczesne badania z wykorzystaniem technik neuroobrazowania nadal wykorzystują cerebral cytoarchitektoniczną mapę cytoarchitektoniczną Brodmanna (odnoszącą się do badania struktury komórki ) definicje anatomiczne z tej epoki, nadal pokazując, że różne obszary kory mózgowej są aktywowane podczas wykonywania określonych zadań.

W XX wieku neuronaukę zaczęto uznawać za samodzielną dyscyplinę akademicką, a nie za badania nad układem nerwowym w innych dyscyplinach. Eric Kandel i współpracownicy cytują Davida Riocha , Francisa O. Schmitta i Stephena Kufflera jako odegrali kluczową rolę w tworzeniu tej dziedziny. Rioch zapoczątkował integrację podstawowych badań anatomicznych i fizjologicznych z psychiatrią kliniczną w Instytucie Badawczym Armii Waltera Reeda , począwszy od lat pięćdziesiątych. W tym samym okresie Schmitt ustanowił program badań neurologicznych na Wydziale Biologii Massachusetts Institute of Technology , łączący biologię, chemię, fizykę i matematykę. Pierwszy niezależny wydział neuronauki (wtedy nazywany Psychobiologią) został założony w 1964 roku na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine przez Jamesa L. McGaugha . Następnie powstał Wydział Neurobiologii w Harvard Medical School , założony w 1966 roku przez Stephena Kufflera.

W XX wieku zrozumienie neuronów i funkcji układu nerwowego stawało się coraz bardziej precyzyjne i molekularne. Na przykład w 1952 roku Alan Lloyd Hodgkin i Andrew Huxley przedstawili matematyczny model transmisji sygnałów elektrycznych w neuronach olbrzymiego aksonu kałamarnicy, który nazwali „ potencjałami czynnościowymi ” oraz sposób ich inicjowania i rozprzestrzeniania się, znany jako Model Hodgkina-Huxleya . W latach 1961–1962 Richard FitzHugh i J. Nagumo uprościli model Hodgkina–Huxleya w tak zwanym modelu FitzHugh–Nagumo . W 1962 Bernard Katz modelował neuroprzekaźnictwo w przestrzeni między neuronami, znanymi jako synapsy . Począwszy od 1966 roku, Eric Kandel i współpracownicy badali biochemiczne zmiany w neuronach związane z uczeniem się i przechowywaniem pamięci w Aplysia . W 1981 roku Catherine Morris i Harold Lecar połączyli te modele w modelu Morris-Lecar . Taka coraz bardziej ilościowa praca dała początek licznym biologicznym modelom neuronów i modelom obliczeń neuronowych .

W wyniku rosnącego zainteresowania układem nerwowym utworzono kilka znaczących organizacji neuronaukowych, aby zapewnić forum dla wszystkich neuronaukowców w XX wieku. Na przykład Międzynarodowa Organizacja Badań Mózgu została założona w 1961 roku, Międzynarodowe Towarzystwo Neurochemii w 1963 roku, Europejskie Towarzystwo Mózgu i Zachowania w 1968 roku, a Towarzystwo Neuronauki w 1969 roku. do dyscyplin stosowanych , takich jak neuroekonomia , neuroedukacja , neuroetyka i neuroprawo .

Z biegiem czasu badania nad mózgiem przeszły przez fazę filozoficzną, eksperymentalną i teoretyczną, przy czym przewiduje się, że prace nad symulacją mózgu będą ważne w przyszłości.

Nowoczesna neuronauka

Układ nerwowy człowieka

Badania naukowe nad układem nerwowym znacznie wzrosły w drugiej połowie XX wieku, głównie dzięki postępom w biologii molekularnej , elektrofizjologii i neuronauce obliczeniowej . Dzięki temu neuronaukowcy mogli badać układ nerwowy we wszystkich jego aspektach: jak jest zbudowany, jak działa, jak się rozwija, jak działa nieprawidłowo i jak można go zmienić.

Na przykład możliwe stało się bardziej szczegółowe zrozumienie złożonych procesów zachodzących w pojedynczym neuronie . Neurony to komórki wyspecjalizowane w komunikacji. Są w stanie komunikować się z neuronami i innymi typami komórek za pośrednictwem wyspecjalizowanych połączeń zwanych synapsami , w których sygnały elektryczne lub elektrochemiczne mogą być przesyłane z jednej komórki do drugiej. Wiele neuronów wyciska długie cienkie włókno aksoplazmy zwane aksonem , które może rozciągać się do odległych części ciała i jest w stanie szybko przenosić sygnały elektryczne, wpływając na aktywność innych neuronów, mięśni lub gruczołów w miejscach ich zakończenia. Nerwowy układ wychodzi ze skupisk neuronów, które są połączone ze sobą.

Układ nerwowy kręgowców można podzielić na dwie części: ośrodkowy układ nerwowy (określany jako mózg i rdzeń kręgowy ) oraz obwodowy układ nerwowy . U wielu gatunków — w tym u wszystkich kręgowców — układ nerwowy jest najbardziej złożonym układem narządów w ciele, przy czym większość złożoności znajduje się w mózgu. Sam ludzki mózg zawiera około stu miliardów neuronów i sto bilionów synaps; składa się z tysięcy rozróżnialnych podstruktur, połączonych ze sobą w sieci synaptyczne, których zawiłości dopiero zaczynają być rozwiązywane. Co najmniej jeden na trzy z około 20 000 genów należących do ludzkiego genomu ulega ekspresji głównie w mózgu.

Ze względu na wysoki stopień plastyczności ludzkiego mózgu struktura jego synaps i wynikające z nich funkcje zmieniają się przez całe życie.

Zrozumienie dynamicznej złożoności układu nerwowego jest ogromnym wyzwaniem badawczym. Ostatecznie neurobiolodzy chcieliby zrozumieć każdy aspekt układu nerwowego, w tym sposób jego działania, rozwoju, nieprawidłowego działania oraz możliwości jego zmiany lub naprawy. Analiza układu nerwowego odbywa się zatem na wielu poziomach, od poziomu molekularnego i komórkowego po poziom systemowy i poznawczy. Konkretne tematy, które stanowią główne ogniska badań, zmieniają się z biegiem czasu, napędzane coraz większą bazą wiedzy i dostępnością coraz bardziej wyrafinowanych metod technicznych. Udoskonalenia technologiczne były głównym motorem postępu. Rozwój mikroskopii elektronowej , informatyki , elektroniki , funkcjonalnego neuroobrazowania oraz genetyki i genomiki były głównymi motorami postępu.

Neuronauka molekularna i komórkowa

Zdjęcie zabarwionego neuronu w zarodku kurzym

Podstawowe pytania w neuronauce molekularnej obejmują mechanizmy, dzięki którym neurony wyrażają i odpowiadają na sygnały molekularne oraz jak aksony tworzą złożone wzorce połączeń. Na tym poziomie wykorzystuje się narzędzia z biologii molekularnej i genetyki, aby zrozumieć, jak rozwijają się neurony i jak zmiany genetyczne wpływają na funkcje biologiczne. Duże zainteresowanie budzi również morfologia , tożsamość molekularna i cechy fizjologiczne neuronów oraz ich związek z różnymi typami zachowań.

Pytania zadawane w neuronauce komórkowej obejmują mechanizmy fizjologicznego i elektrochemicznego przetwarzania sygnałów przez neurony . Pytania te obejmują sposób przetwarzania sygnałów przez neuryty i somy oraz sposób wykorzystywania neuroprzekaźników i sygnałów elektrycznych do przetwarzania informacji w neuronie. Neuryty są cienkimi wypustkami ciała komórki nerwowej , składającymi się z dendrytów (wyspecjalizowanych w otrzymywaniu sygnałów synaptycznych z innych neuronów) i aksonów (wyspecjalizowanych w przewodzeniu impulsów nerwowych zwanych potencjałami czynnościowymi ). Somy są ciałami komórkowymi neuronów i zawierają jądro.

Innym ważnym obszarem neuronauki komórkowej jest badanie rozwoju układu nerwowego . Pytania dotyczą wzorcowania i regionalizacji układu nerwowego, nerwowych komórek macierzystych , różnicowania neuronów i gleju ( neurogeneza i gliogeneza ), migracji neuronów , rozwoju aksonów i dendrytów, interakcji troficznych i tworzenia synaps .

Komputerowe modelowanie neurogenetyczne dotyczy rozwoju dynamicznych modeli neuronalnych do modelowania funkcji mózgu w odniesieniu do genów i dynamicznych interakcji między genami.

Obwody i systemy neuronowe

Proponowana organizacja motoryczno-semantycznych obwodów neuronowych dla rozumienia języka czynności. Na podstawie Shebani et al. (2013)

Pytania w neuronauce systemów obejmują sposób, w jaki obwody neuronowe są tworzone i wykorzystywane anatomicznie i fizjologicznie do wytwarzania funkcji takich jak odruchy , integracja multisensoryczna , koordynacja ruchowa , rytmy okołodobowe , reakcje emocjonalne , uczenie się i pamięć . Innymi słowy, odnoszą się do sposobu, w jaki te obwody nerwowe funkcjonują w wielkoskalowych sieciach mózgowych oraz mechanizmów, za pomocą których generowane są zachowania. Na przykład analiza na poziomie systemów odpowiada na pytania dotyczące określonych modalności sensorycznych i motorycznych: jak działa widzenie ? Jak ptaki śpiewające uczą się nowych pieśni, a nietoperze lokalizują za pomocą ultradźwięków ? Jak układ somatosensoryczny przetwarza informacje dotykowe? Pokrewne dziedziny neuroetologii i neuropsychologii odpowiadają na pytanie, w jaki sposób substraty neuronalne leżą u podstaw określonych zachowań zwierząt i ludzi . Neuroendokrynologia i psychoneuroimmunologia badają interakcje między układem nerwowym, a odpowiednio układem hormonalnym i odpornościowym . Pomimo wielu postępów, sposób, w jaki sieci neuronów wykonują złożone procesy poznawcze i zachowania, jest nadal słabo poznany.

Neuronauka poznawcza i behawioralna

Neuronauka poznawcza odpowiada na pytania, w jaki sposób obwody neuronalne wytwarzają funkcje psychologiczne . Pojawienie się potężnych nowych technik pomiarowych, takich jak neuroobrazowanie (np. fMRI , PET , SPECT ), EEG , MEG , elektrofizjologia , optogenetyka i analiza genetyczna człowieka w połączeniu z zaawansowanymi technikami eksperymentalnymi z psychologii poznawczej pozwala neurologom i psychologom odpowiedzieć na abstrakcyjne pytania, takie jak: poznanie i emocje są mapowane na określone podłoża neuronalne. Chociaż wiele badań nadal zajmuje stanowisko redukcjonistyczne, poszukując neurobiologicznych podstaw zjawisk poznawczych, ostatnie badania pokazują, że istnieje interesująca współzależność między odkryciami neuronauki a badaniami konceptualnymi, zabiegającymi i integrującymi obie perspektywy. Na przykład badania neuronaukowe nad empatią wywołały interesującą interdyscyplinarną debatę obejmującą filozofię, psychologię i psychopatologię. Co więcej, neuronaukowa identyfikacja wielu systemów pamięci związanych z różnymi obszarami mózgu podważyła ideę pamięci jako dosłownego odtwarzania przeszłości, wspierając postrzeganie pamięci jako procesu generatywnego, konstruktywnego i dynamicznego.

Neuronauka jest również powiązana z naukami społecznymi i behawioralnymi , a także z rodzącymi się dziedzinami interdyscyplinarnymi. Przykłady takich sojuszy obejmują neuroekonomię , teorię decyzji , neuronaukę społeczną i neuromarketing w odpowiedzi na złożone pytania dotyczące interakcji mózgu z otoczeniem. Badanie reakcji konsumentów wykorzystuje na przykład EEG do badania korelatów neuronalnych związanych z narracyjnym transportem w opowieści o efektywności energetycznej .

Neuronauka obliczeniowa

Pytania w neuronauce obliczeniowej mogą obejmować szeroki zakres poziomów tradycyjnej analizy, takich jak rozwój , struktura i funkcje poznawcze mózgu. Badania w tej dziedzinie wykorzystują modele matematyczne , analizę teoretyczną i symulację komputerową do opisu i weryfikacji biologicznie prawdopodobnych neuronów i układów nerwowych. Na przykład modele neuronów biologicznych to matematyczne opisy neuronów kolczastych, które można wykorzystać do opisania zarówno zachowania pojedynczych neuronów, jak i dynamiki sieci neuronowych . Neuronauka obliczeniowa jest często określana jako neuronauka teoretyczna.

Nanocząsteczki stosowane w medycynie mają wszechstronne zastosowanie w leczeniu zaburzeń neurologicznych, wykazując obiecujące wyniki w pośredniczeniu w transporcie leków przez barierę krew-mózg . Wdrożenie nanocząstek w lekach przeciwpadaczkowych zwiększa ich skuteczność medyczną poprzez zwiększenie biodostępności w krwiobiegu, a także oferuje miarę kontroli stężenia w czasie uwalniania. Chociaż nanocząsteczki mogą wspomagać leki terapeutyczne poprzez dostosowanie właściwości fizycznych w celu osiągnięcia pożądanych efektów, nieumyślny wzrost toksyczności często występuje we wstępnych badaniach leków. Ponadto produkcja nanomedycyny do badań leków jest ekonomicznie oszczędna, co utrudnia postęp w ich wdrażaniu. Modele obliczeniowe w nanoneurologii zapewniają alternatywy dla badania skuteczności leków opartych na nanotechnologii w zaburzeniach neurologicznych przy jednoczesnym łagodzeniu potencjalnych skutków ubocznych i kosztów rozwoju.

Nanomateriały często działają w skalach długości między reżimem klasycznym a kwantowym . Ze względu na niepewność związaną ze skalami długości, w jakich działają nanomateriały, trudno jest przewidzieć ich zachowanie przed badaniami in vivo. Klasycznie procesy fizyczne zachodzące w neuronach są analogiczne do obwodów elektrycznych. Projektanci skupiają się na takich analogiach i modelują aktywność mózgu jako obwód neuronowy. Sukces w modelowaniu obliczeniowym neuronów doprowadził do opracowania modeli stereochemicznych, które dokładnie przewidują synapsy oparte na receptorze acetylocholiny działające w mikrosekundowych skalach czasowych.

Ultracienkie nanoigły do ​​manipulacji komórkowych są cieńsze niż najmniejsze jednościenne nanorurki węglowe . Obliczeniowa chemia kwantowa jest wykorzystywana do projektowania ultradrobnych nanomateriałów o wysoce symetrycznych strukturach w celu optymalizacji geometrii, reaktywności i stabilności.

Zachowanie nanomateriałów jest zdominowane przez dalekosiężne oddziaływania niewiążące. Procesy elektrochemiczne zachodzące w mózgu generują pole elektryczne, które może nieumyślnie wpływać na zachowanie niektórych nanomateriałów. Symulacje dynamiki molekularnej mogą złagodzić fazę opracowywania nanomateriałów, a także zapobiegać neurotoksycznemu działaniu nanomateriałów po badaniach klinicznych in vivo. Testowanie nanomateriałów przy użyciu dynamiki molekularnej optymalizuje właściwości nanomateriałów do celów terapeutycznych poprzez testowanie różnych warunków środowiskowych, wytwarzania kształtów nanomateriałów, właściwości powierzchni nanomateriałów itp. bez potrzeby przeprowadzania eksperymentów in vivo. Elastyczność symulacji dynamiki molekularnej pozwala lekarzom na personalizację leczenia. Dane dotyczące nanocząstek z nanoinformatyki translacyjnej łączą neurologiczne dane specyficzne dla pacjenta w celu przewidywania odpowiedzi na leczenie.

Neuronauka i medycyna

Neurologia , psychiatria , neurochirurgia , psychochirurgia , anestezjologia i medycyna bólu , neuropatologia , neuroradiologia , okulistyka , otolaryngologia , neurofizjologia kliniczna , medycyna uzależnień i medycyna snu to niektóre specjalności medyczne, które w szczególności zajmują się chorobami układu nerwowego. Terminy te odnoszą się również do dyscyplin klinicznych obejmujących diagnostykę i leczenie tych chorób.

Neurologia zajmuje się chorobami ośrodkowego i obwodowego układu nerwowego, takimi jak stwardnienie zanikowe boczne (ALS) i udar mózgu oraz ich leczeniem. Psychiatria koncentruje się na zaburzeniach afektywnych , behawioralnych, poznawczych i percepcyjnych . Anestezjologia skupia się na percepcji bólu i farmakologicznej zmianie świadomości. Neuropatologia skupia się na klasyfikacji i leżących u podstaw patogennych mechanizmach chorób ośrodkowego i obwodowego układu nerwowego oraz mięśni, z naciskiem na zmiany morfologiczne, mikroskopowe i chemicznie obserwowalne. Neurochirurgia i psychochirurgia zajmują się przede wszystkim chirurgicznym leczeniem chorób ośrodkowego i obwodowego układu nerwowego.

Sztuczne implanty neuronowe

Ostatnie postępy w technologii mikrochipów neuromorficznych skłoniły grupę naukowców do stworzenia sztucznego neuronu, który może zastąpić prawdziwe neurony w chorobach.

Wyszukiwanie tłumaczenia

Parasagittal MRI głowy pacjenta z rodzinną makrocefalią

Ostatnio granice między różnymi specjalnościami zatarły się, ponieważ na wszystkie mają wpływ podstawowe badania w neuronauce. Na przykład obrazowanie mózgu umożliwia obiektywny biologiczny wgląd w choroby psychiczne, co może prowadzić do szybszej diagnozy, dokładniejszego prognozowania i lepszego monitorowania postępów pacjenta w czasie.

Zintegrowana neuronauka opisuje wysiłek łączenia modeli i informacji z wielu poziomów badań w celu opracowania spójnego modelu układu nerwowego. Na przykład obrazowanie mózgu w połączeniu z fizjologicznymi modelami numerycznymi i teoriami podstawowych mechanizmów może rzucić światło na zaburzenia psychiczne.

Główne oddziały

Współczesną edukację i działalność badawczą w dziedzinie neuronauki można z grubsza podzielić na następujące główne gałęzie, w oparciu o przedmiot i skalę systemu egzaminacyjnego, a także różne podejścia eksperymentalne lub programowe. Jednak poszczególni neurolodzy często pracują nad pytaniami, które obejmują kilka odrębnych poddziedzin.

Lista głównych gałęzi neuronauki
Oddział Opis
Neuronauka afektywna Neuronauka afektywna to badanie mechanizmów nerwowych związanych z emocjami, zazwyczaj poprzez eksperymenty na modelach zwierzęcych.
Neuronauka behawioralna Neuronauka behawioralna (znana również jako psychologia biologiczna, psychologia fizjologiczna, biopsychologia lub psychobiologia) to zastosowanie zasad biologii do badania genetycznych, fizjologicznych i rozwojowych mechanizmów zachowania u ludzi i zwierząt.
Neuronauka komórkowa Neuronauka komórkowa zajmuje się badaniem neuronów na poziomie komórkowym, w tym morfologią i właściwościami fizjologicznymi.
Neuronauka kliniczna Badania naukowe mechanizmów biologicznych, które leżą u podstaw zaburzeń i chorób układu nerwowego .
Neurobiologia poznawcza Neuronauka poznawcza zajmuje się badaniem biologicznych mechanizmów leżących u podstaw poznania.
Neuronauka obliczeniowa Neuronauka obliczeniowa to teoretyczne badanie układu nerwowego.
Neuronauka kulturowa Neuronauka kulturowa to badanie tego, jak wartości, praktyki i przekonania kulturowe kształtują się i są kształtowane przez umysł, mózg i geny w wielu skalach czasowych.
Neuronauka rozwojowa Neuronauka rozwojowa bada procesy, które generują, kształtują i przekształcają układ nerwowy i stara się opisać komórkową podstawę rozwoju neuronowego, aby zająć się mechanizmami leżącymi u ich podstaw.
Neuronauka ewolucyjna Neuronauka ewolucyjna zajmuje się badaniem ewolucji układów nerwowych.
Neuronauka molekularna Neuronauka molekularna bada układ nerwowy za pomocą biologii molekularnej, genetyki molekularnej, chemii białek i powiązanych metodologii.
Nanoneuronauka Interdyscyplinarna dziedzina, która integruje nanotechnologię i neuronaukę.
Inżynieria neuronowa Inżynieria neuronowa wykorzystuje techniki inżynieryjne do interakcji, zrozumienia, naprawy, wymiany lub ulepszania systemów neuronowych.
Neuroanatomia Neuroanatomy jest studium anatomii z układu nerwowego .
Neurochemia Neurochemia to badanie interakcji neurochemicznych i wpływających na funkcję neuronów.
Neuroetologia Neuroetologia to nauka o neuronowych podstawach zachowania zwierząt innych niż człowiek.
Neurogastronomia Neurogastronomia to nauka o smaku i jego wpływie na odczuwanie, poznanie i pamięć.
Neurogenetyka Neurogenetyka to nauka o genetycznych podstawach rozwoju i funkcji układu nerwowego .
Neuroobrazowanie Neuroobrazowanie obejmuje stosowanie różnych technik do bezpośredniego lub pośredniego obrazowania struktury i funkcji mózgu.
Neuroimmunologia Neuroimmunologia zajmuje się interakcjami między układem nerwowym a odpornościowym.
Neuroinformatyka Neuroinformatyka to dyscyplina w bioinformatyce zajmująca się organizacją danych neuronaukowych oraz zastosowaniem modeli obliczeniowych i narzędzi analitycznych.
Neurolingwistyka Neurolingwistyka zajmuje się badaniem mechanizmów neuronalnych w ludzkim mózgu, które kontrolują rozumienie, produkcję i przyswajanie języka.
Neurofizyka Neurofizyka to dział biofizyki zajmujący się opracowywaniem i wykorzystaniem fizycznych metod pozyskiwania informacji o układzie nerwowym.
Neurofizjologia Neurofizjologia to nauka o funkcjonowaniu układu nerwowego, zwykle przy użyciu technik fizjologicznych, które obejmują pomiar i stymulację elektrodami lub optycznie barwnikami wrażliwymi na jony lub napięcie lub kanałami wrażliwymi na światło.
Neuropsychologia Neuropsychologia to dyscyplina, która znajduje się pod parasolami zarówno psychologii, jak i neuronauki i jest zaangażowana w działania na arenach zarówno nauk podstawowych, jak i nauk stosowanych. W psychologii, jest najściślej związana z biopsychologia , psychologii klinicznej , psychologii poznawczej i psychologii rozwojowej . W neuronauce jest najściślej związany z obszarami neuronauki poznawczej, behawioralnej, społecznej i afektywnej. W sferze stosowanej i medycznej wiąże się z neurologią i psychiatrią.
Paleoneurobiologia Paleoneurobiologia to dziedzina, która łączy techniki stosowane w paleontologii i archeologii do badania ewolucji mózgu, zwłaszcza mózgu ludzkiego.
Neuronauka społeczna Neuronauka społeczna to interdyscyplinarna dziedzina poświęcona zrozumieniu, w jaki sposób systemy biologiczne wdrażają procesy i zachowania społeczne oraz wykorzystaniu pojęć i metod biologicznych do informowania i udoskonalania teorii procesów i zachowań społecznych.
Neuronauka systemów Neuronauka systemowa zajmuje się badaniem funkcji obwodów i systemów neuronowych.

Organizacje neuronaukowe

Największą profesjonalną organizacją neuronaukową jest Society for Neuroscience (SFN), które ma siedzibę w Stanach Zjednoczonych, ale obejmuje wielu członków z innych krajów. Od momentu założenia w 1969 roku SFN stale się rozrasta: od 2010 roku ma 40 290 członków z 83 różnych krajów. Coroczne spotkania, odbywające się każdego roku w innym amerykańskim mieście, przyciągają uwagę naukowców, stypendystów podoktoranckich, doktorantów i studentów, a także instytucji edukacyjnych, agencji finansujących, wydawców i setek firm dostarczających produkty wykorzystywane w badaniach.

Inne ważne organizacje zajmujące się neuronauką to Międzynarodowa Organizacja Badań Mózgu (IBRO), która co roku organizuje spotkania w kraju z innej części świata, oraz Federacja Europejskich Towarzystw Neuronaukowych (FENS), która spotyka się w inne europejskie miasto co dwa lata. FENS obejmuje zestaw 32 organizacji na szczeblu krajowym, w tym Brytyjskie Stowarzyszenie Neuronauki , Niemieckie Towarzystwo Neuronauki ( Neurowissenschaftliche Gesellschaft ) oraz francuskie Société des Neurosciences . Pierwsze Narodowe Towarzystwo Honorowe w dziedzinie Neuronauki, Nu Rho Psi , zostało założone w 2006 roku. Istnieją również liczne młodzieżowe towarzystwa neuronaukowe, które wspierają studentów, absolwentów i badaczy rozpoczynających karierę, takie jak Simply Neuroscience i Project Encephalon.

W 2013 roku w USA ogłoszono inicjatywę BRAIN . Międzynarodowa Inicjatywa Mózgu została utworzona w 2017 roku i jest obecnie zintegrowana przez ponad siedem krajowych inicjatyw badawczych dotyczących mózgu (USA, Europa , Instytut Allena , Japonia , Chiny , Australia, Kanada, Korea i Izrael) obejmujących cztery kontynenty.

Edukacja publiczna i pomoc publiczna

Oprócz prowadzenia tradycyjnych badań w warunkach laboratoryjnych, neuronaukowcy zaangażowali się również w promocję świadomości i wiedzy na temat układu nerwowego wśród ogółu społeczeństwa i urzędników państwowych. Takich promocji dokonali zarówno indywidualni neuronaukowcy, jak i duże organizacje. Na przykład indywidualni neuronaukowcy promowali edukację neuronaukową wśród młodych uczniów, organizując International Brain Bee , czyli konkurs akademicki dla uczniów szkół średnich i liceów z całego świata. W Stanach Zjednoczonych duże organizacje, takie jak Society for Neuroscience, promują edukację z zakresu neuronauki, opracowując elementarz o nazwie Brain Facts, współpracując z nauczycielami szkół publicznych w celu opracowania podstawowych koncepcji neuronaukowych dla nauczycieli i uczniów szkół podstawowych i średnich oraz współfinansując kampanię z Dana Fundacja zwołała Tydzień Świadomości Mózgu, aby zwiększyć świadomość społeczną na temat postępów i korzyści płynących z badań nad mózgiem. W Kanadzie, CIHR Canadian National Brain Bee odbywa się corocznie na Uniwersytecie McMaster .

W 1992 roku edukatorzy neuronauki utworzyli Wydział Studiów Neuronaukowych (FUN), aby dzielić się najlepszymi praktykami i zapewniać nagrody podróżne dla studentów prezentujących na spotkaniach Society for Neuroscience.

Neuronaukowcy współpracowali również z innymi ekspertami w dziedzinie edukacji, aby zbadać i udoskonalić techniki edukacyjne, aby zoptymalizować uczenie się wśród uczniów, rozwijającą się dziedzinę zwaną neuronauką edukacyjną . Agencje federalne w Stanach Zjednoczonych, takie jak Narodowy Instytut Zdrowia (NIH) i Narodowa Fundacja Nauki (NSF), również sfinansowały badania dotyczące najlepszych praktyk w nauczaniu i uczeniu się koncepcji neuronauki.

Inżynierskie zastosowania neuronauki

Neuromorficzne chipy komputerowe

Inżynieria neuromorficzna to dziedzina neuronauki zajmująca się tworzeniem funkcjonalnych modeli fizycznych neuronów na potrzeby użytecznych obliczeń. Powstające właściwości obliczeniowe komputerów neuromorficznych różnią się zasadniczo od komputerów konwencjonalnych w tym sensie, że są złożonym systemem , a komponenty obliczeniowe nie są ze sobą powiązane bez centralnego procesora.

Jednym z przykładów takiego komputera jest superkomputer SpiNNaker .

Czujniki można również uczynić inteligentnymi dzięki technologii neuromorficznej. Przykładem tego jest BrainScaleS firmy Event Camera (inspirowane mózgiem obliczenia wieloskalowe w neuromorficznych systemach hybrydowych), hybrydowy analogowy superkomputer neuromorficzny znajdujący się na Uniwersytecie w Heidelbergu w Niemczech. Został opracowany w ramach neuromorficznej platformy obliczeniowej projektu Human Brain Project i stanowi uzupełnienie superkomputera SpiNNaker, który jest oparty na technologii cyfrowej. Architektura zastosowana w BrainScaleS naśladuje neurony biologiczne i ich połączenia na poziomie fizycznym; dodatkowo, ponieważ komponenty są wykonane z krzemu, te modelowe neurony działają średnio 864 razy (24 godziny czasu rzeczywistego to 100 sekund w symulacji maszynowej) niż ich biologiczne odpowiedniki.

Nagrody Nobla związane z neuronauką

Rok Pole nagrody Obraz Laureat Dożywotni Kraj Racjonalne uzasadnienie Nr ref.
1904 Fizjologia Iwan Pawłow nobel.jpg Iwan Pietrowicz Pawłow 1849-1936 Imperium Rosyjskie "w uznaniu jego pracy nad fizjologią trawienia, dzięki której wiedza o istotnych aspektach przedmiotu została przekształcona i poszerzona"
1906 Fizjologia Kamila Golgi nobel.jpg Camillo Golgi 1843-1926 Królestwo Włoch „w uznaniu ich pracy nad strukturą układu nerwowego”
Cajal-Restored.jpg Santiago Ramón y Cajal 1852-1934 Przywrócenie (Hiszpania)
1914 Fizjologia Robert Barany.jpg Robert Barany 1876-1936 Austro-Węgry „za pracę nad fizjologią i patologią aparatu przedsionkowego”
1932 Fizjologia Profesor Charles Scott Sherrington.jpg Charles Scott Sherrington 1857-1952 Zjednoczone Królestwo "za odkrycia dotyczące funkcji neuronów"
Edgar Douglas Adrian nobel.jpg Edgar Douglas Adrian 1889-1977 Zjednoczone Królestwo
1936 Fizjologia Henryk Dale nobel.jpg Henry Hallett Dale 1875-1968 Zjednoczone Królestwo "za odkrycia związane z chemicznym przekazywaniem impulsów nerwowych"
Otto Loewi nobel.jpg Otto Loewi 1873-1961 Austria
Niemcy
1938 Fizjologia Corneille Heymans nobel.jpg Corneille Jean François Heymans 1892-1968 Belgia "za odkrycie roli, jaką odgrywają mechanizmy zatokowo - aortalne w regulacji oddychania "
1944 Fizjologia Joseph Erlanger nobel.jpg Józef Erlanger 1874-1965 Stany Zjednoczone "za odkrycia dotyczące wysoce zróżnicowanych funkcji pojedynczych włókien nerwowych"
Herbert Spencer Gasser nobel.jpg Herbert Spencer Gasser 1888-1963 Stany Zjednoczone
1949 Fizjologia Walter Hess.jpg Walter Rudolf Hess 1881-1973 Szwajcaria „za odkrycie funkcjonalnej organizacji międzymózgowia jako koordynatora działań narządów wewnętrznych”
Moniz.jpg António Caetano Egas Moniz 1874-1955 Portugalia „za odkrycie terapeutycznej wartości leukotomii w niektórych psychozach”
1957 Fizjologia Daniel Bovet nobel.jpg Daniel Bovet 1907-1992 Włochy „za odkrycia dotyczące syntetycznych związków, które hamują działanie niektórych substancji ustrojowych, a zwłaszcza ich działanie na układ naczyniowy i mięśnie szkieletowe”
1961 Fizjologia Georg von Békésy nobel.jpg Georg von Békésy 1899-1972 Stany Zjednoczone „za odkrycia fizycznego mechanizmu stymulacji w ślimaku”
1963 Fizjologia John Carew Eccles 1903-1997 Australia "za odkrycia dotyczące mechanizmów jonowych zaangażowanych w wzbudzanie i hamowanie w obwodowych i centralnych częściach błony komórek nerwowych"
Alan Lloyd Hodgkin nobel.jpg Alan Lloyd Hodgkin 1914-1998 Zjednoczone Królestwo
Andrzej Fielding Huxley nobel.jpg Andrzeja Fieldinga Huxleya 1917-2012 Zjednoczone Królestwo
1967 Fizjologia Ragnar Granit2.jpg Ragnar Granit 1900-1991 Finlandia
Szwecja
"za odkrycia dotyczące pierwotnych fizjologicznych i chemicznych procesów wzrokowych w oku"
Haldan Keffer Hartline nobel.jpg Haldan Keffer Hartline 1903-1983 Stany Zjednoczone
Jerzy Wald nobel.jpg George Wald 1906-1997 Stany Zjednoczone
1970 Fizjologia Juliusz Akselrod 1912-2004 Stany Zjednoczone „za odkrycia dotyczące przekaźników humoralnych w zakończeniach nerwowych oraz mechanizmu ich przechowywania, uwalniania i dezaktywacji”
Ulf von Euler.jpg Ulf von Euler 1905-1983 Szwecja
Bernard Katz 1911–2003 Zjednoczone Królestwo
1981 Fizjologia Roger Wolcott Sperry.jpg Roger W. Sperry 1913-1994 Stany Zjednoczone "za odkrycia dotyczące funkcjonalnej specjalizacji półkul mózgowych "
David H. Hubel 1926–2013 Kanada "za odkrycia dotyczące przetwarzania informacji w systemie wizualnym "
Torsten Wiesel-7Nov2006.jpg Torsten N. Wiesel 1924- Szwecja
1986 Fizjologia Stanley Cohen-Biochemik.jpg Stanley Cohen 1922-2020 Stany Zjednoczone "za odkrycia czynników wzrostu "
Rita Levi Montalcini.jpg Rita Levi-Montalcini 1909–2012 Włochy
1997 Chemia Skou2008crop.jpg Jens C. Skou 1918–2018 Dania „za pierwsze odkrycie enzymu transportującego jony, Na + , K + -ATPaza”
2000 Fizjologia Arvid Carlsson 2011a.jpg Arvid Carlsson 1923–2018 Szwecja "za odkrycia dotyczące transdukcji sygnałów w układzie nerwowym "
Paweł Zieliński.jpg Paul Greengard 1925–2019 Stany Zjednoczone
Eric Kandel autorstwa aquaris3.jpg Eric R. Kandel 1929- Stany Zjednoczone
2003 Chemia Roderick MacKinnon Roderick MacKinnon 1956- Stany Zjednoczone "za odkrycia dotyczące kanałów w błonach komórkowych [...] do badań strukturalnych i mechanistycznych kanałów jonowych"
2004 Fizjologia Ryszard Axel.jpg Ryszard Axel 1946- Stany Zjednoczone "za odkrycie receptorów węchowych i organizacji układu węchowego "
LindaBuck przycięte 1.jpg Linda B. Buck 1947- Stany Zjednoczone
2014 Fizjologia John O'Keefe (neuronauk) 2014b.jpg John O'Keefe 1939– Stany Zjednoczone
Wielka Brytania
"za odkrycie komórek, które stanowią system pozycjonowania w mózgu"
Maj-Britt Moser 2014.jpg May-Britt Moser 1963- Norwegia
Edvard Moser.jpg Edward I. Moser 1962- Norwegia
2017 Fizjologia Jeffrey C. Hall EM1B8737 (38162359274).jpg Jeffrey C. Hall 1939– Stany Zjednoczone "za odkrycie molekularnych mechanizmów kontrolujących rytm dobowy "
Michael Rosbash EM1B8756 (38847326642).jpg Michael Rosbash 1944– Stany Zjednoczone
Michael W. Young D81 4345 (38162439194).jpg Michael W. Young 1949- Stany Zjednoczone
2021 Fizjologia DawidJulius.jpg Dawid Juliusz 1955- Stany Zjednoczone "za odkrycie receptorów temperatury i dotyku"
Ardem Patapoutian 1967- Liban

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki