Интегративная нейробиология - Integrative neuroscience

Интегративная нейробиология это изучение нейробиология который работает для унификации функциональных данных организации для лучшего понимания сложных структур и поведения.[1] Взаимосвязь между структурой и функцией, а также то, как области и функции связаны друг с другом. Различные части мозга выполняют разные задачи, взаимодействуя друг с другом, обеспечивая сложное поведение.[2] Интегративная нейробиология работает над заполнением пробелов в знаниях, которые в значительной степени могут быть достигнуты с помощью обмена данными, для создания понимания систем, которые в настоящее время применяются к симуляция нейробиологии: Компьютерное моделирование мозга, объединяющее функциональные группы.[3][1]

Обзор

Корни интегративной нейробиологии берут начало в школе реляционной биологии Рашевского-Розена.[4] который математически характеризует функциональную организацию, абстрагируясь от структуры (т.е. физики и химии). Он был расширен Шове.[5] кто ввел иерархическую и функциональную интеграцию.

Иерархическая интеграция является структурной, включающей пространственно-временную динамическую непрерывность в евклидовом пространстве, чтобы вызвать функциональную организацию, а именно.

Иерархическая организация + Иерархическая интеграция = Функциональная организация

Однако функциональная интеграция является реляционной, и поэтому для этого требуется топология, не ограниченная евклидовым пространством, а занимающая векторные пространства.[6] Это означает, что для любой данной функциональной организации методы функционального анализа позволяют отображать реляционную организацию с помощью функциональной интеграции, а именно.

Функциональная организация + Функциональная интеграция = Организация отношений

Таким образом, иерархическая и функциональная интеграция влечет за собой «нейробиологию когнитивной семантики», где иерархическая организация связана с нейробиологией, а реляционная организация связана с когнитивной семантикой. Относительная организация отбрасывает материю; «функция диктует структуру», следовательно, материальные аспекты влекут за собой, в то время как в редукционизме причинная связь между структурой и динамикой влечет за собой функцию, которая устраняет функциональную интеграцию, поскольку причинное следствие иерархической интеграции в мозгу отсутствует в структуре.

Если интегративная нейробиология изучается с точки зрения функциональной организации иерархических уровней, то ее определяют как причинное следствие иерархической интеграции в мозгу. Если это изучено с точки зрения организации отношений, то это определяется как семантическое следствие функциональной интеграции в мозгу.

Он направлен на представление исследований функциональной организации конкретных систем мозга в масштабе через иерархическую интеграцию, ведущую к типичному для вида поведению в нормальных и патологических состояниях. Таким образом, интегративная нейробиология стремится к единому пониманию функций мозга в разных масштабах.

Тезис спайви о непрерывности разума[7] расширяет интегративную нейробиологию до области психологии непрерывности.

Мотивация

По мере накопления данных он попадает в соответствующие специализации с очень небольшим перекрытием.[1] С созданием стандартизированной интегрированной базы данных нейробиологических данных можно создать статические модели, которые в противном случае были бы невозможны, например, понимание и лечение психических расстройств.[8]

Он обеспечивает основу для объединения большого разнообразия специальностей в современные нейробиология, в том числе

Это разнообразие неизбежно, но, возможно, оно создало пустоту: пренебрежение первичный роль нервной системы в обеспечении выживания и процветания животного. Интегративная нейробиология стремится заполнить эту мнимую пустоту.

Экспериментальные методы

Выявление различных областей мозга с помощью методов корреляции и причинно-следственных связей в совокупности обеспечивает общую функцию мозга и карту местоположения. Использование различных данных, собранных с помощью разных методов, в совокупности позволяет лучше понять взаимосвязь и целостность мозга.

Корреляция

Связь между состояниями мозга и поведенческими состояниями.[9] Наблюдается через пространственные и временные различия. Эта точка в мозгу находится под воздействием действия или стимула, а также времени реакции.[10] Инструменты, используемые для этого, включают фМРТ и ЭЭГ, более подробная информация представлена ​​ниже.

Функциональная магнитно-резонансная томография

Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) меры кислородозависимый ответ (ЖИРНЫЙ), с помощью магнитный резонанс наблюдать за кровью насыщенный кислородом области. Активные области связаны с повышенным кровотоком, представляя корреляционную связь.[11][12] Пространственная локализация фМРТ позволяет получать точную информацию вплоть до ядер и Площади Бродмана.[13] Некоторые виды деятельности, такие как зрительная система, настолько быстры, длятся всего доли секунды, в то время как другие функции мозга могут занять дни или месяцы, например память. ФМРТ измеряет в секундах, что затрудняет измерение чрезвычайно быстрых процессов.[14]

Электроэнцефалография

Электроэнцефалография (ЭЭГ) позволяет вам видеть электрическую активность мозга с течением времени, может измерять только представленные ответы на стимулы, стимулы, которые предъявляет экспериментатор. он использует электродные датчики, размещенные на поверхности черепа, для измерения синхронного срабатывания нейронов. Это не может быть определенная активность, вызванная стимулами, только корреляция между данной функцией и областью мозга. ЭЭГ измеряет общие изменения в обширных регионах, но не имеет специфики.[15]

Причинный

Активность мозга напрямую вызвана стимуляцией определенной области, что доказано экспериментально.

ТМС

ТМС (Транскраниальная магнитная стимуляция ) использует магнитную катушку, излучающую импульс магнитного поля, активирующий активность в определенной области мозга. Это полезно для возбуждения определенной области коры головного мозга и регистрации MEP (моторных вызванных потенциалов), возникающих в результате.[16][17] Это дает определенные причинные связи, но ограничивается корой головного мозга, что делает невозможным проникновение глубже поверхности мозга.[17]

Исследования повреждений

Когда у пациентов есть естественные поражения, это возможность наблюдать, как поражение в данной области влияет на функциональность. Или в экспериментах, не связанных с человеком, поражения могут быть созданы путем удаления участков мозга. Эти методы необратимы, в отличие от методов изучения мозга, и не позволяют точно показать, какие участки мозга отключены из-за нарушения гомеостаза в головном мозге. При поражении пермеатом мозг химически регулируется и восстанавливает гомеостаз. [18] Опора на естественные явления мало влияет на такие переменные, как местоположение и размер. А в случаях с повреждениями в нескольких областях дифференциация не определена из-за отсутствия массовых данных.

Электродная стимуляция

Картирование корковой стимуляции, инвазивная операция на головном мозге, при которой исследуется область коры головного мозга, чтобы связать различные области с функциями.[19] Обычно возникает во время открытой операции на головном мозге, когда электроды вводятся в определенные области и проводятся наблюдения. Этот метод ограничен количеством пациентов, перенесших открытую операцию на головном мозге, которые согласны на такие эксперименты, и тем, какая область мозга оперируется. Также выполняется на мышах с полным диапазоном действия над мозгом.

Приложения

Проект человеческого мозга

Со времен «десятилетия мозга» произошел всплеск открытий, касающихся мозга, и их применения в большинстве областей медицины. В связи с этим взрывным ростом потребность в интеграции данных по исследованиям, модальностям и уровням понимания становится все более очевидной. Конкретный пример ценности крупномасштабного обмена данными был предоставлен Проект человеческого мозга.

Медицинское

Была признана важность крупномасштабной интеграции информации мозга для новых подходов к медицине.[20] Вместо того, чтобы полагаться в основном на информацию о симптомах, в конечном итоге может потребоваться комбинация информации о мозге и генах для понимания того, какое лечение лучше всего подходит для конкретного человека.

Поведенческий

Существует также работа по изучению эмпатии и тенденций социального поведения, чтобы лучше понять, какую роль эмпатия играет в поведенческой науке и как мозг реагирует на сочувствие, производит сочувствие и развивает сочувствие с течением времени. Объединение этих функциональных единиц и социального поведения и воздействия помогает лучше понять сложное поведение, создающее человеческий опыт.[21]

использованная литература

  1. ^ а б c Интегративная нейробиология: объединение биологических, психологических и клинических моделей человеческого мозга. Гордон, Эвиан. Амстердам: Harwood Academic Publishers. 2000 г. ISBN  9780203304761. OCLC  567985508.CS1 maint: другие (ссылка на сайт)
  2. ^ Кочубей Борис; Треттер, Феликс; Браун, Ханс А .; Буххайм, Томас; Драгун, Андреас; Фукс, Томас; Хаслер, Феликс; Хастедт, Хайнер; Хинтербергер, Тило; Northoff, Георг; Рентшлер, Инго (2016). «Методологические проблемы на пути к интегративной нейробиологии человека». Границы интегративной неврологии. 10: 41. Дои:10.3389 / fnint.2016.00041. ISSN  1662-5145. ЧВК  5126073. PMID  27965548.
  3. ^ Фан, Сюэ; Маркрам, Генри (2019-05-07). «Краткая история симуляционной нейробиологии». Границы нейроинформатики. 13: 32. Дои:10.3389 / fninf.2019.00032. ISSN  1662-5196. ЧВК  6513977. PMID  31133838.
  4. ^ Луи, АХ (2009). Больше, чем сама жизнь: синтетическое продолжение в реляционной биологии. Франкфурт [Германия]: Ontos Verlag.
  5. ^ Шове, Гилберт (1996). Теоретические системы в биологии: иерархическая и функциональная интеграция. Оксфорд [Соединенное Королевство]: Pergamon Press.
  6. ^ Brzychczy, S .; Познанский, Р.Р. (2013). Математическая неврология. Амстердам [Нидерланды]: Elsevier BV.
  7. ^ Спайви, М.Дж. (2007). Непрерывность разума. Нью-Йорк [Нью-Йорк]: Издательство Оксфордского университета.
  8. ^ Гордон, Эвиан (июнь 2003 г.). «Интегративная неврология в психиатрии: роль стандартизированной базы данных». Австралазийская психиатрия. 11 (2): 156–163. Дои:10.1046 / j.1039-8562.2003.00533.x. ISSN  1039-8562. S2CID  145382687.
  9. ^ Дейкстра, Надин; де Брюэн, Леон (19.07.2016). «Когнитивная неврология и причинно-следственные связи: значение для психиатрии». Границы в психиатрии. 7: 129. Дои:10.3389 / fpsyt.2016.00129. ISSN  1664-0640. ЧВК  4949233. PMID  27486408.
  10. ^ Вудс, Адам Дж .; Гамильтон, Рой Х .; Краньец, Александр; Минхаус, Прит; Биксон, Маром; Ю, Джонатан; Чаттерджи, Анджан (15 мая 2014 г.). «Пространство, время и причинность в человеческом мозгу». NeuroImage. 92: 285–297. Дои:10.1016 / j.neuroimage.2014.02.015. ISSN  1095-9572. ЧВК  4008651. PMID  24561228.
  11. ^ «Введение в FMRI - Отделение клинической неврологии Наффилда». www.ndcn.ox.ac.uk. Получено 2019-11-26.
  12. ^ Logothetis, Nikos K .; Полс, Джон; Август, Марк; Тринат, Торстен; Эльтерманн, Аксель (2001). «Нейрофизиологическое исследование основы сигнала фМРТ». Природа. 412 (6843): 150–157. Bibcode:2001Натурал.412..150л. Дои:10.1038/35084005. PMID  11449264. S2CID  969175. Наши результаты недвусмысленно показывают, что пространственно локализованное увеличение контраста BOLD прямо и монотонно отражает увеличение нейронной активности.
  13. ^ Карр, Валери А .; Рисман, Джесси; Вагнер, Энтони Д. (2010). «Визуализация медиальной височной доли человека с помощью фМРТ высокого разрешения». Нейрон. 65 (3): 298–308. Дои:10.1016 / j.neuron.2009.12.022. ЧВК  2844113. PMID  20159444.
  14. ^ Huettel, S.A .; Песня, A. W .; Маккарти, Г. (2009), Функциональная магнитно-резонансная томография (2-е изд.), Массачусетс: Sinauer, ISBN  978-0-87893-286-3
  15. ^ Niedermeyer E .; да Силва Ф.Л. (2004). Электроэнцефалография: основные принципы, клиническое применение и смежные области. Липпинкотт Уильямс и Уилкинс. ISBN  978-0-7817-5126-1
  16. ^ ван Дун, Ким; Бодрангиен, Флориан; Манто, Марио; Мариен, Питер (01.06.2017). «Нацеливание на мозжечок с помощью неинвазивной нейростимуляции: обзор». Мозжечок. 16 (3): 695–741. Дои:10.1007 / s12311-016-0840-7. ISSN  1473-4230. PMID  28032321. S2CID  3999098.
  17. ^ а б Groppa, S .; Oliviero, A .; Eisen, A .; Quartarone, A .; Cohen, L.G .; Молл, В .; Kaelin-Lang, A .; Мима, Т .; Росси, С .; Thickbroom, G.W .; Россини, П. (Май 2012 г.). «Практическое руководство по диагностике транскраниальной магнитной стимуляции: отчет комитета IFCN». Клиническая нейрофизиология. 123 (5): 858–882. Дои:10.1016 / j.clinph.2012.01.010. ISSN  1388-2457. ЧВК  4890546. PMID  22349304.
  18. ^ Вайдья, Авинаш Р .; Pujara, Maia S .; Петридес, Майкл; Мюррей, Элизабет А .; Товарищи, Лесли К. (2019). «Исследования поражений в современной нейробиологии». Тенденции в когнитивных науках. 23 (8): 653–671. Дои:10.1016 / j.tics.2019.05.009. ЧВК  6712987. PMID  31279672.
  19. ^ Меньший, Рональд П .; Арройо, Сантьяго; Крон, Натан; Гордон, Барри (1998). «Моторное и сенсорное картирование лобной и затылочной долей». Эпилепсия. 39: S69 – S80. Дои:10.1111 / j.1528-1157.1998.tb05127.x. PMID  9637595.
  20. ^ Insel, Thomas R; Волков, Нора Д; Лэндис, История C; Ли, Тинг-Кай; Бэтти, Джеймс Ф; Сивинг, Пол (2003). «Пределы роста: зачем нейробиологии нужна крупномасштабная наука». Природа Неврология. 7 (5): 426–427. Дои:10.1038 / nn0504-426. PMID  15114352. S2CID  30158264.
  21. ^ Хайн, Грит; Певица, Таня (2010), «Неврология встречается с социальной психологией: интегративный подход к человеческому сочувствию и просоциальному поведению»., Просоциальные мотивы, эмоции и поведение: лучшие ангелы нашей природы, Американская психологическая ассоциация, стр. 109–125, Дои:10.1037/12061-006, ISBN  978-1433805462, S2CID  142743763

внешние ссылки